1 176 2013 - · PDF fileшой вклад в развитие физики и ... были сделаны великие открытия. ... величины и их

ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕСВЕДЕНИЯО СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

РАВНОВЕСИЕ ТЕЛ.ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

ЗВУКОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

6Н. Ш. ТУРДИЕВ

2-ПЕРЕРАБОТАННОЕ ИЗДАНИЕ

ИЗДАТЕЛЬСКО-ПОЛИГРАФИЧЕСКИЙ ТВОРЧЕСКИЙДОМ ИМЕНИ ЧУЛПАНА

ТАШКЕНТ – 2013

УДК: 372.853-161.1(075)ББК 22.3T-86

Рецензенты: A. Юсупов – доцент ЦИПКПСНО им. А. Авлони Р. Ешмирзаева – методист РЦO М. Раджабова – преподаватель школы № 34 г. Ташкента

Утверждено Министерством народногообразования Республики Узбекистан в качестве учебника

ОБОЗНАЧЕНИЯ:

– физические величины; основные законы; – важнейшие формулы;

– обратите внимание, запомните;

– после изучения темы ответьте на поставленные вопросы;

* – темы, предназначенные для более глубокого изучения физики;

– темы, предназначенные для повторения ранее пройденного материала;

– подумайте и ответьте;

– практическая работа, выполняемая учащимися;

– познавательные материалы.

«Отпечатано для аренды за счет средствРеспубликанского целевого книжного фонда».

ISBN 978-9943-4046-9-4 © Н. Ш. Турдиев, 2013 © «Niso Poligraf», 2013 (оригинал-макет), © Издательско-полиграфический творческий дом имени Чулпана, 2013

3

ВВЕД ЕНИ ЕТЕМА 1

ЧТО ИЗУЧАЕТ ФИЗИКА?ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Дорогие учащиеся!Книга, которую вы держите в руках, является вашим первым

учебником физики. Это новый для вас учебный предмет. Изучение физики вы продолжите в дальнейшем в 7–9 классах.

Для чего надо изучать физику?Если вы посмотрите вокруг себя, то можете увидеть, например, па-

дающий снег или дождь, плывущие по небу облака, текущий ручей или реку. Все это является природными явлениями. Окружающая нас природа и изменения в ней оказывают непосредственное влияние на нашу жизнь. Изучение закономерностей протекающих в природе яв-лений позволяет более полно и рационально воспользоваться ими. Изучая эти закономерности, человек создал машины, облегчающие его труд. Мы не можем представить свою повседневную жизнь без электричества, горючего, чистой воды.

Основу электрических машин, установок, работающих с исполь-зованием электричества и горючего, изучает физика. Для управления машинами и механизмами, выполнения работ по их настройке, для более продуктивного использования домашних приборов нам необхо-димы знания законов фи зики.

В 6 классе даны первоначальные сведения о строении ве-щества, механические, тепловые и световые явления, пред-ставления о звуке (рис. 1).

В учебнике вам предлагаются несложные и интересные задания, которые относятся к этим явлениям, и вы сможете их выполнить са-мостоятельно.

Введение

44

В истории развития физики сложилась своя система представле-ний. Через физические представления определяются все физические явления, законы, положения.

Строениевещества

Механиче-ские

явления

Тепловыеявления

Световыеявления

Понятияо звуке

Рис. 1

5

Что изучает физика? Физические явления

Физическими телами называются все встречающиеся в природе тела.

Например, Солнце, звезды, планеты, камни, вода в сосуде, воздух в помещении и т.д.

Системой тел называется система, в которой некоторые физи-ческие явления проявляются, как в одном теле. Например, движе-ние автомобиля. Здесь все части автомобиля в течение времени про-ходят определенный путь.

Физическими явлениями называются явления, когда частицы, из которых состоят тела, остаются без изменения. Например, паде-ние камня, вращение колеса, кипение и замерзание воды, выделение тепла при сгорании угля, излучение света лампочкой, распростране-ние голоса по радио.

Путем непосредственного наблюдения физических явлений и на основе опытной проверки создаются законы физики.

Физическим законом называется выражение, показывающее количественную связь величин, характеризующих явление.

Наблюдением называется изучение свойств явления, не оказы-вающее на него воздействия. Например, при изучении падения тела на Землю закономерность определяется после большого числа наблю-дений за предметом. Для этого проводятся опыты. Совместно с про-ведением опытов проводят измерительные работы.

Таким образом, источником физических знаний являются наблю-дение и проведение опытов.

1. Посмотрите на рисунок 1 и приведите свои примеры, относящиеся к физическим явлениям.

2. В чем разница между проведением опытов и наблюдений?3. Приведите примеры физических явлений.

Введение

66

ТЕМА 2

СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ

Слово «физика», по-гречески «phýsis» – означает «природа», фи-зика – наука о природе. Человечество познавало окружающий его мир в жесточайшей борьбе за выживание. Первоначально сбор на-учных сведений начинался там, где люди вели оседлый образ жиз-ни. Воспользовавшись благоприятными возможностями, египтяне и вавилоняне на основе накопленных знаний построили пирамиды, храмы, крепости, плотины. При их строительстве они пользовались простыми механизмами: рычагами, скатами, наклонными плоскос-тями.

Сведения о физике впервые в виде книги обобщил древнегрече-ский мыслитель Аристотель (384–322 годы до нашей эры). Теорию об устройстве мира впервые разработал живший в 341–270 годах до нашей эры Эпикур. Поэт-философ Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» изложил учение Эпикура. Согласно этому уче-нию, все вещества состоят из невидимых, неделимых атомов, и они находятся в непрерывном движении.

Одним из первых ученых, широко использовавших физические законы в военных целях, был Архимед. Архимед родился в 287 году до нашей эры на острове Сицилия в городе Сиракузы. В это

время за остров Сицилия вели борьбу два госу-дарства: Рим и Карфаген. Власти острова, чтобы сохранить независимость, строили оборонитель-ные сооружения. Здесь пригодились инженер-ные способности Архимеда. Римляне атаковали Сицилию и с моря, и с суши.

Греческий историк Плутарх пишет так: «Си-цилианцы пришли в ужас от двусторонних (с моря и с суши) атак римлян. Чем они могут Архимед

7

ответить такому сильному и многочисленному войску? Архимед привел в действие свои механизмы. На сухопутные войска об-рушились громадные камни, пущенные с большой силой, и они рассеялись... На корабли с городских стен с большой скоростью внезапно обрушились бревна и потопили их. Железными крючья-ми цепляли корабли за один конец, высоко их поднимали, второй конец погружался в воду. Некоторые теряли управление, начина-ли вращаться на одном месте и, ударившись, тонули. Страшная картина. После этого римляне вынуждены были отступить. Город они сумели взять только после долгой осады. В этом бою погиб и Архимед». Таким образом, Архимед – первый ученый, служив-ший для войны и погибший на войне.

В средние века развитие науки и культуры переместилось на Восток. В это время жили великие наши предки, внесшие боль-шой вклад в развитие физики и других наук. Это Абу Райхан Бе-руни, Абу Али ибн Сина (Авиценна), Абу Абдаллах Мухаммад ибн Муса аль-Хорезми, Омар Хайям, Омар Чагмини и многие другие. Беруни проводил работы во многих направлениях: плотность ве-щества, физика Вселенной, минералогия, свет, звук и магнитные явления. Обращает на себя внимание то, с какой точностью он определил радиус Земли (у Беруни – 6 490 км, современные дан-ные – 6 400 км). Весь мир признал работы аль-Хорезми по мате-матике и астрономии. Отцом медицины считается Авиценна. У него также имеются работы, посвященные механическому движе-нию, погоде, световым явлениям. Если Омар Хайям разработал наиболее совершенный по тому времени календарь, то Омар Чаг-мини впервые отметил, что смена времен года происходит за счет наклона оси Земли.

Дальнейшее развитие физика получила в Европе. Польский уче-ный Н. Коперник первым ввел гелиоцентрическую модель мира. Но принять это учение было нелегко. Итальянский ученый Г. Галилей и немецкий ученый И. Кеплер экспериментами и расчетами подтвер-дили это учение. Первым ученым, наблюдавшим небесные тела в

Сведения из истории развития физики

Введение

88

телескоп, был тоже Галилей. Заслуживают вни-мания его работы по свободному падению тел. Неоценимый вклад в развитие физики внес ан-глийский ученый И. Ньютон. Его перу принад-лежат работы о причинах движения Солнца и планет, о силе и ее влиянии на движение тел, о цвете.

В XVIII–XIX веках началось практическое использование достижений науки. Результатом этого стал запуск первых паровых машин, раз-витие военной техники, использование элек-

тричества и многое другое.К ученым, признанным в этот период, можно отнести Дж. Уат-

та, М. Ломоносова, А. Эйлера, Т. Юнга, О. Френеля, А. Вольта, Х. Эрстеда, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея, Е. Х. Ленца, В. Вебера, Дж. Джоуля, В. Томсона, А. Больцмана, Д. Менделеева и многих других.

В XX веке в физике были сделаны великие открытия. В резуль-тате этих открытий появилась возможность использовать атом-ную энергию. Человек вышел в космос. Широко известны имена физиков Д. Лоренса, А. Эйнштейна, В. Рентгена, Дж. Томсона, М. Планка, Э. Резерфорда, Н. Бо ра, А. Иоффе, С. Вавилова, М. Лан-дау, Луи де Бройля.

Конечно, развитие физики не всегда шло гладко. В отдельные пе-риоды было много открытий, а в другое время было затишье. Но че-ловек, побеждая трудности, всегда стремится вперед.

Беруни

9

ТЕМА 3

ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИКИ В РАЗВИТИИ ОБЩЕСТВА. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В УЗБЕКИСТАНЕ

В давние времена люди полностью зависели от природы, так как своими руками ничего не производили, питались тем, что их окружало. От непогоды, холода и диких зверей спасались в пеще-рах. Но постепенно они научились добывать огонь и изготавливать орудия для охоты. Жизнь стала улучшаться. В результате изуче-ния природы и на основании более плодотворного использования природных богатств стало возможным избавить людей от холода, темноты, голода и множества болезней. Человек стал свободно пе-ремещаться по земле, по воздуху и по воде.

Среди естественных наук физика занимает ведущее место. Как было уже сказано, сфера ее деятельности очень широкая. Каждый изученный закон физики оказывает сильное влияние на развитие общества. Вот почему в Узбекистане для развития физики прово-дятся широкомасштабные работы. Этими работами ученые зани-маются, в основном, в научно-исследовательских институтах Ака-демии наук Узбекистана и в лабораториях при высших учебных заведениях.

В данный момент в системе Академии наук Республики Узбекис тан функционирует Институт ядерной физики (отдел физи-ки тяжелых ионов), Научно-производственное объединение «Физи-ка – Солнца» (Институт материаловедения); Институт астрономии; Институт ион-плазмы и лазерной технологии.

В этих институтах проводятся научные иследования по меха-ническим, тепловым, электрическим, световым и звуковым явле-ниям.

Значение физики в развитии общества. Развитие физики в Узбекистане

Введение

1010

ТЕМА 4

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ

Некоторые параметры тел или физических явлений можно изме-рить при помощи экспериментов. Эти параметры называются физи-ческими величинами. Например, длина тела, объем, температура, масса и т.д.

Под словом «измерить» понимают сравнение измеряемой величи-ны с эталоном. У каждого эталона существует своя единица измере-ния. Например, международной единицей длины служит метр (1 м), а за единицу времени принята секунда (1 с).

Эталон длины изготовлен из платино-ири-диевого сплава (соединение двух веществ) и хра-нится во Франции (рис. 2).

В повседневной жизни длина помимо метра измеряется и в кратных и в приходящихся ему дольных величинах.

Приставка и единица измерения Множитель

микро (мк)милли (м)санти (с)деци (д)дека (дк)гекто (г)кило (к)мега (М)

0,0000010,0010,010,11010010001000000

Н а п р и м е р : 1 километр = 1000 метров.

В качестве эталона времени принято брать определенный пери-од излучения атома – мельчайшей частицы вещества. В повседневной

Рис. 2

11

жизни используются и другие единицы времени: минута, час, сутки, неделя, месяц, год.

1 час = 60 минут = 3600 секунд.1 сутки = 24 часа.1 миллисекунда = 0,001 секунды.

Для измерения массы веществ и тел из платино-иридиевого спла-ва изготовлена специальная эталонная гиря (1 килограмм). Она также хранится во Франции.

При проведении опытов и наблюдений пользуются измерительны-ми приборами (рис. 3).

Измерительная лента

Штангенциркуль

Весы

Линейка Мензурка Секундомер

Рис. 3

Физические величины и их измерение

Введение

1212

На линейке: – линии и цифры: шкала линейки;– промежутки между двумя соседними линиями: точность измерения;

– наибольшее расстояние, которое мож-но измерить, называется пределом измерения.

В различных странах длину, массу тела и другие величины изме-ряли в различных единицах, и это приводило к неудобствам. Поэто-му в 1960 году для измерения величин была принята Международная система единиц СИ. В Узбекистане также была введена 1982 (ГОСТ) для контроля измерительных приборов работает метрологическая служба.

Какие еще измерительные приборы вы знаете?Назовите точность и пределы измерения приведенных на рисунке 3 приборов.

– учение мыслителей античного мира и наших соотечественни-ков – Рази, Беруни и Авиценны о строении вещества;

– беспорядочное движение молекул;

– молекулярное строение твер-дых тел, жидкостей и газов;

– знакомство с явлением диффузии.

IГЛАВА

ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕСВЕДЕНИЯО СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Глава I. Первоначальные сведения о строении вещества

1414

ВВОДНАЯ БЕСЕДА

В древние века люди пользовались только тем, что их окружало, – деревья, камни, земля, вода и др. Впоследствии из полезных иско-паемых они научились выделять железо, медь, серебро, золото. Пу-тем их смешивания получили бронзу, латунь. В некоторых случаях нужны были твердые материалы для изготовления мечей, щитов, для украшений (корон, колец и т.д.) нужны были материалы и с другими свойствами. Для их создания люди все больше изучали строение су-ществующих материалов. Вместе с этим, используя полученные зна-ния, они начали получать искусственные материалы (пластмассы, по-лимеры и т.д.).

Чтобы обладать знаниями и практикой, великие умы человечества работали не покладая рук.

ТЕМА 5

УЧЕНИЕ ДЕМОКРИТА, РАЗИ, БЕРУНИИ АВИЦЕННЫ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

В повседневной жизни, чтобы вскипятить воду, вы наливаете ее в сосуд, нагреваете его и видите, что появляется пар. Через некото-рое время вода начинает кипеть, и если сосуд оставить без внимания, вода вся выкипит. Почему вода испаряется? Какая разница в строе-нии воды и льда? Подобные вопросы издревле интересовали людей. Первоначальное представление о строении вещества принадлежит греческому ученому Демокриту (460–370 годы до н.э.). По Демокриту все тела состоят из очень маленьких частиц – атомов. Самая малень-кая частица вещества – атом считалась неделимой. Слово «атом» по-гречески означает «неделимый». Труд Демокрита об атомах не дошел до нас. Его взгляды приведены в трудах других ученых.

15

Учение Демокрита впоследствии развили многие ученые. В част-ности, это нашло отражение в трудах наших соотечественников – ве-ликих мыслителей Рази, Беруни и Авиценны.

Абу Бакр ар-Рази (865–925) написал более 184 трудов, работал во многих областях науки. Он развил учение греческих ученых об ато-ме и высказал мысль, что атом тоже может делиться. Внутри атома, согласно Рази, имеются пустоты и отдельные части, все эти части на-ходятся в движении. Кроме того, он считал, что между этими частя-ми имеется сила взаимодействия. Эти теоретические взгляды Рази в дальнейшем получили развитие в трудах Абу Райхана Беруни и Ави-ценны.

* Речь об этом идет в переписке между ними. Беруни писал Ави-ценне: «Некоторые ученые утверждают, что частиц меньше атома не существует, – это глупость. Вторые утверждают, что атом делится бесконечно, это еще большая глупость. Если атом делится бесконеч-но, то в конце концов материя может исчезнуть. Этого не может быть, так как материя бесконечна. Что Вы думаете по этому поводу?»

Авиценна в своем ответе Беруни писал, что утверждения Аристо-теля и Рази надо понимать так, что атом делится не бесконечно, и это деление имеет границу.

В настоящее время сложное строение атома полностью подтверж-дено. Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро, в свою очередь, состоит из еще меньших частиц – протонов и нейтронов. Есть сведения о том, что протон и нейтрон тоже состоят из еще бо-лее мелких частиц. Ответ на вопрос, имеется ли граница этого деле-ния, надеемся получить у вас, когда вы вырастите.

1. Какие вы имеете представления о строении вещества?2. Какие имеются недостатки в теории атома Демокрита?3. В каких еще направлениях проводил исследования ар-Рази? Узнайте об этом из книг в вашей библиотеке.

4. Как вы думаете, могут ли частицы делиться бесконечно?

Учение Демокрита, Рази, Беруни и Авиценны о строении вещества


1616

ТЕМА 6

МОЛЕКУЛЫ И ИХ РАЗМЕРЫ

Вам известно, что каждое вещество имеет присущие ему свойства. Например: сахар – сладкий, соль – соленая и т.д. Возьмем сахар и из-мельчим его в ступке. Если мы теперь попробуем его на вкус, то он останется сладким, т.е. сохранился вкус сахара. До какой степени из-мельчения сохранит он свой сладкий вкус? Опыты показывают, что вещество сохраняет свои свойства до определенного размера состав-ляющих его частиц.

Наименьший размер, при котором еще сохраняются свойства вещества, называется молекулой.

Молекула (moles – масса по латыни) может состоять из одного или из нескольких атомов. Например, молекула воды состоит из трех ато-мов. Она содержит 1 атом кислорода и 2 атома водорода (рис. 4).

Рис. 4

Молекула кислорода, которым мы дышим, состоит из двух ато-мов кислорода. А углекислый газ, который мы выдыхаем, состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Например, атом кис-лорода обозначается буквой О, молекула, так как она состоит из двух атомов, обозначается О2. Молекула углекислого газа обозначается как СО2, а воды – Н2О.

Если разделить молекулу воды, то две молекулы водорода и молекула кислорода в отдельности не дадут свойств воды. В мно-

17

гоатомных молекулах свойства молекул будут зависеть от взаим-ного расположения атомов. Даже свойства молекулы, состоящей из одинаковых атомов, зависят от взаимного расположения этих атомов.

В природе нет абсолютно одинаковых предметов. Даже близне-цы тоже чем-то отличаются. По этим отличиям их и распознают родители. Однако молекулы одного и того же вещества не отлича-ются друг от друга. Например: молекула воды, полученная путем испарения морской воды, не отличается от молекулы родниковой воды.

Размеры атомов и молекул очень малы, их нельзя увидеть не-вооруженным глазом. Тогда как можно определить их размеры? На первый взгляд кажется, что это неразрешимая задача. Проведем та-кой опыт. Возьмем широкий сосуд (тарелку) с водой и капнем в него каплю масла. Капля масла растекается по поверхности воды. Это происходит из-за того, что молекулы, находящиеся наверху, как бы «сос кальзывают» вниз и т.д.

Масло принимает форму круга. Штангенциркулем можно изме-рить его диаметр и вычислить площадь S (рис. 5). Чтобы определить объем одной капли, в специальную мензурку капают 50–100 капель масла и определяют их объем V. Тогда объем одной капли V1 опреде-ляют из формулы , где n – число капель.

Так как объем капли также равен V1 = d · S, то толщина слоя масла равна . Если вычислить, то толщина слоя, то есть диаметр мо-лекулы масла будет равен d = 0,0000002 мм. Диаметр молекулы, из-меренный современными методами, дает тот же порядок.

На следующем примере можно видеть, на-сколько маленьким является это число. Если увеличить молекулу водорода до размеров ябло-ка, то размер яблока соответственно будет равен размеру Земли.2 – Физика, 6 класс.

Молекулы и их размеры

Рис. 5


1818

В настоящее время с помощью специальных электронных микро-скопов можно получить рисунки сравнительно больших молекул и некоторых атомов. Размер атома водорода равен 0,0000002 мм, а мо-лекулы равен 0,00000023 мм. Оказывается размер молекулы белка со-ставляет примерно 0,0043 мм.

1. Чем отличается атом от молекулы?2. Как можно узнать, сколько атомов содержит данная молекула?3. Что больше, молекула или бактерия? Сравните размеры бактерии и молекулы, размеры бактерии узнайте из учебников «Ботаника» или «Зоология».

ТЕМА 7

ДВИЖЕНИЕ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ.БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

Откроем в комнате флакончик духов и капнем их себе на руку. Че-рез некоторое время запах духов почувствуют и другие. Если откро-ем чашку с сухим нафталином и поставим ее на стол, то все почув-ствуют запах нафталина. Чтобы мы почувствовали запах, молекулы нафталина или духов должны достичь наших ноздрей. Значит духи или сухой нафталин состоят из частиц, которые двигаются. Если в помещении холодно, мы затапливаем печь. Хотя дверца печи и за-крыта, но помещение все равно нагревается. Каким образом тепло от печи распространяется в помещении? В данном случае теплопередача тоже происходит за счет движения частиц воздуха. Если бы молеку-лы, из которых состоит вода, не двигались, то вода не текла бы в ре-ках и арыках. Значит, мы удостоверились, что молекулы газа и воды двигаются. А двигаются ли частицы в твердых телах? Чтобы узнать это, проведем следующий опыт (рис. 6). Возьмем шар, изготовленный из стали. Из проволоки сделаем кольцо, через которое стальной шар проходит свободно. Нагреем шар. После нагревания шар застрянет

19

Рис. 6

в кольце. За счет движения молекул нагретый шар расширяется. Воз-никает такой вопрос: как двигаются частицы, из которых состоят ве-щества?

Движение молекул впервые наблюдал английский ботаник Роберт Броун. В 1827 году он рассматривал в микроскоп взвешенные в воде мелкие семена, споры плауна. Наблюдения показали, что эти споры совершают непрерывное движение. Движение не останавливалось ни днем, ни ночью, для молекул было безразлично – лето это или зима. Представим себе, что дети играют разноцветными воздушными шара-ми. Сможем ли мы сказать, где окажется красный шар через 2 секун-ды? Конечно, нет, так как движение шаров случайное и беспорядочное. Точно также движение молекул является беспорядочным за счет вза-имных столкновений. Непрерывное и беспорядочное движение моле-кул вошло в науку под названием броуновского движения.

Если молекулы совершают непрерывное и беспорядочное движе-ние, тогда почему твердые тела и жидкости не распадаются? Меж-ду молекулами существуют силы притяжения. Эти силы удержива-ют молекулы друг около друга. Как далеко простираются эти силы? Возьмем палочку и сломаем ее. Теперь, сколько бы мы не пытались восстановить целостность палки, мы не сможем, так как невозможно достаточно сблизить молекулы в месте поломки. Значит, силы взаи-модействия молекул проявляются на очень маленьких расстояниях. Эти расстояния соизмеримы с расстояниями между молекулами. Тог-

Движение и взаимодействие молекул. Броуновское движение


2020

да почему прилипают друг к другу пластилин, тесто, жевательная ре-зинка? Потому что их молекулы можно сблизить на достаточно ма-ленькое расстояние. Склеивание сломанного стекла объясняется тем, что пустоты между двумя частями заполняются клеем, молекулы сближаются на достаточное расстояние и начинают действовать мо-лекулярные силы. Электрическая и газовая сварка металлов объясня-ется также действием молекулярных сил.

1. Из стекла вырежьте десять прямоугольников. Размер одного пусть будет больше размера других. Протрите каждый мокрой матерчатой салфеткой и положите друг на друга. На самый

верх положите самый большой прямоугольник. Возьмитесь за боль-шой стеклянный прямоугольник и поднимите. Остальные стекла тоже поднимутся. Объясните причину.

2. Налейте воду в тарелку и ополосните ее. Поверхность тарелки станет мокрой. Возьмите кусок мыла, положите на тарелку и несколь-ко раз сильно надавите. Если теперь поднять мыло, то и тарелка под-нимется вместе с мылом. Объясните причину.

1. Почему твердые тела не распадаются сами собой на отдельные моле-кулы?

2. Какие явления показывают, что между молекулами существуют не только силы притяжения, но и силы отталкивания?

3. Имеются ли силы взаимодействия между молекулами воздуха?

21

ТЕМА 8

ДИФФУЗИЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Мы уже знаем, что в газах, жидкостях и твердых телах молеку-лы совершают непрерывное и беспорядочное движение. Одно из яв-лений, которое подтверждает это, – явление диффузии (на латыни diffuziya – означает распространение).

Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие непрерывного и беспорядочного движения час-тиц вещества называется диффузией.

В качестве примера диффузии можно привести распространение запаха духов в помещении, растворение сахара или соли в воде.

Разольем немного духов, отметим время, отойдем от этого места на несколько метров и будем ждать. Запах духов почувствуем не сра-зу, а спустя некоторое время. Почему так происходит? Потому что при испарении молекулы духов смешиваются с молекулами воздуха. Хотя скорость молекулы большая (несколько сот метров в секунду), на своем пути она претерпевает множество соударений и меняет на-правление своего движения.

Чтобы наблюдать диффузию в жидкостях, проделаем следующий опыт. Возьмем стакан, насыпем в него одну чайную ложку сахара. Затем очень осторожно нальем воду. Через некоторое время увидим, что жидкость на дне стакана помутнела. Сахар растворился и полу-чился сахарный сироп. Если сразу сделать глоток воды из стакана, то вода не будет такой сладкой, как через некоторое время. Почему меняется вкус воды? Теперь проведем опыт с водой и марганцово-кислым калием. И в этом случае наблюдаем про-цесс диффузии: цвет воды меняется, постепенно окрашивая воду со дна стакана вверх (рис. 7).

Наблюдается ли явление диффузии в твердых телах?

Провели такой опыт. Взяли золотую и свин-цовую пластины, гладко отшлифовали и положи-

Диффузия в различных средах

Рис. 7


2222

ли одну на другую. Сверху придавили грузом и оставили на 5 лет. После этого увидели, что золото и свинец взаимно проникли друг в друга на расстояние по-рядка 1 мм.

Египетские пирамиды сложены из от-шлифованных камней. В местах стыков-

ки вода не проникает внутрь, так как в течение тысячелетий камни соприкасались, и места стыковки за счет диффузии срослись между собой.

Значит, диффузия происходит в газах быстро, в жидкостях – мед-леннее, а в твердых телах – очень медленно. Диффузия зависит от температуры. При возрастании температуры скорость диффузии воз-растает.

Диффузия имеет большое значение в природе.Например, за счет диффузии вредные газы рассеиваются в воз-

духе. Выдыхаемый углекислый газ за счет диффузии не скапливает-ся у ноздрей. Соление овощей тоже основано на явлении диффузии (рис. 8). Объясните, почему.

1. Налейте в стакан воды и осторожно опустите в нее кусок сахара. Не мешая попробуйте воду на вкус. Определите изме-нение вкуса у воды со временем.

2. В пиалу налейте чай, возьмите чайную ложку сахара. Медленно опускайте ложку в чай и наблюдайте за растворением сахара. После определенного количества он перестанет растворяться. Подумайте, почему.

1. В чем причина явления диффузии?2. Почему с повышением температуры диффузия протекает быстрее?3. Приведите примеры диффузии в газах, жидкостях и твердых телах.4. Знаете ли вы жидкости, которые не смешиваются?

Рис. 8

23

ТЕМА 9

МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ,ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

Зимой вода в прудах, озерах и речках замерзает. Летом – на-оборот, пруды высыхают, потому что вода в них испаряется. В природе вода встречается в трех состояниях. Значит, пар, вода и лед состоят из молекул одного типа. Они отличаются только вза-имным расположением молекул и движением. Пар состоит из от-дельных молекул, которые совершают непрерывное и беспоря-дочное движение. По этой причине пар, поднимающийся над по-верхностью воды, быстро смешивается с воздухом. Поэтому в воздухе постоянно присутствует водяной пар. В состав воздуха входят также кислород, углекислый газ и другие газы. Их моле-кулы тоже находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Если смотреть сбоку на луч света, падающий из окна, то можно увидеть частицы пыли, которые тоже совершают непрерывные и беспорядочные движения. Это происходит за счет того, что части-цы пыли постоянно сталкиваются с молекулами воздуха. Возьмем воздушный шарик, слегка надуем его и завяжем. И если теперь мы сожмем шар руками, то увидим, что он уменьшился в объеме. Значит, газ можно сжимать. Возьмем два шарика, один из них на-дуем через трубочку и завяжем, а затем второй конец трубочки соединим со вторым шаром и закрепим шар. Теперь, если мы раз-вяжем первый шар, то воздух через трубочку перейдет во второй шар (рис. 9). Значит, газ может свободно переходить из одного объема в другой. В какой бы сосуд мы ни поместили газ, он займет весь объем сосуда.

Расстояние между молеку-лами газов в среднем в десять

Молекулярное строение твердых тел, газов и жидкостей

Рис. 9


2424

раз больше, чем размеры молекул. На таких расстояних сила взаи-модействия между молекулами очень маленькая.

Газ не имеет собственной формы и объема.

Если жидкость налить в сосуд, она займет объем этого сосуда, но сохранит свой объем. Вы хорошо знаете, что прохлади-тельные напитки продаются в сосудах объемом 1,5 л, 1 л и 0,5 л. Горючее для автомобилей тоже измеряется в литрах. В жидкостях молекулы располагаются близко, и поэтому они обладают заметной силой притяжения, но под собственной тяжестью растекаются и за-нимают объем сосуда.

Сила протяжения молекул жидкости не достаточно велика для того, чтобы жидкость могла сохранять определенную форму. Несмо-тря на это сжимать жидкость очень трудно. В одном эксперименте, чтобы сжать воду, ее налили в свинцовый шар и запаяли крышку. Затем шар ударили тяжелым молотом, при этом вода не сжалась, но под воздействием воды, шар лопнул и вода вытекла.

Жидкость обладает собственным объемом, но не обладает формой.

Многие окружающие нас предметы состоят из твердых тел: ручка, парта, машина, дома и т.д. Они все имеют собственную форму. Что-бы изменить их форму, надо приложить большие усилия. Молекулы (атомы) в твердых телах располагаются ближе, чем в жидкостях. Кро-ме этого, они располагаются упорядоченно и совершают колебатель-ные движения в местах расположения.

Например, молекула пищевой соли имеет формулу NaCl, то есть состоит из атомов Na – натрия и Cl – хлора. Взаимное расположение атомов при-ведено на рис. 10. Если их соединить прямыми линиями, то будем иметь вид решетки.Рис. 10

NaCl

25

Изменение расположения атомов может изменить степень твердо-сти тела. Например, грифель карандаша, которым вы пользуетесь, и алмаз-бриллиант состоят из атомов углерода (С). Но расположение атомов в них различно.

Твердые тела сохраняют собственный объем и форму.

1. Можно ли перевести твердые тела в газообразное состояние?2. Видели ли вы воздух в твердом состоянии? Если не видели, может, слышали об этом?

3. Жевательная резинка является твердым телом, но легко меняет фор-му. Как вы думаете, в чем причина этого явления?

4. Приведите примеры использования свойств твердых тел, жидкостей и газов в быту.

ТЕМА 10

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФФУЗИИ В ЖИДКОСТЯХ (ВЫПОЛНЯЕТСЯ ДОМА)

Необходимые принадлежности. Два стакана, кристаллы марган-цово кислого калия.

Выполнение работы.1. Налейте в первый стакан воду и поместите стакан в холодиль-

ник, во второй стакан тоже налейте воду и поставьте его в теплое место.

2. Не взбалтывая воду в стаканах, положите в них кристаллы мар-ганцово кислого калия.

3. Два раза в день наблюдайте за изменением цвета воды в стака-нах (на сколько миллиметров поднялась верхняя кромка).

4. По результатам наблюдений рассчитайте скорость диффузии по формуле , где h – высота жидкости, окрасившейся в красный цвет в результате диффузии, t – время.

5. Напишите свои выводы.

Изучение явления диффузии в жидкостях


2626

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ I

1. «Внутри атома имеются пустоты и отдельные части, и атомы все нахо-дятся в движении». Кому принадлежат эти слова?A) Авиценна. B) Абу Райхан Беруни.C) Абу Бакр ар-Рази. D) Демокрит.

2. Сколько атомов содержит молекула углекислого газа – CО2?A) 2. B) 3. C) 4. D) 5.

3. Какова наименьшая часть вещества, сохраняющая его свойства?А) Объем 1 мм3. В) Молекула.С) Атом. D) Любая малая часть.

4. Почему молекулы жидкости в процессе движения не разбегаются во все стороны?A) Из-за атмосферного давления.В) Из-за сил взаимного притяжения.С) Из-за диффузии.D) Из-за причин, приведенных в пунктах A, B, C и D.

5. Как движутся молекулы (атомы) твердого тела?A) Совершают беспорядочное поступательное движение.B) Двигаются по окружности.C) Совершают колебательное движение.D) Они не участвуют в движении.

6. Какая жидкость при переходе в твердое состояние получает новое на-звание?A) Молоко. B) Вода. C) Масло. D) Спирт.

7. Одинаково ли расстояние между молекулами жидкости и газа, находя-щимися при одинаковой температуре?A) Не одинаково. В жидкостях расстояние больше, чем в газах.B) Одинаково. Так как они находятся при одинаковой температуре.C) Не одинаково. В жидкостях расстояние меньше, чем в газах.D) Не одинаково, если молекулы жидкости и газа не являются молеку-

лами одного вещества.

27

8. В каком случае сахар быстрее растворяется: в горячей или холодной воде?A) В горячей воде, так как скорость молекул воды большая.B) В холодной воде, так как молекулы воды оказывают меньшее сопро-

тивление движению молекул сахара.C) В горячей воде, так как скорость движения молекул воды и сахара

большая.D) В холодной воде, так как скорость движения молекул воды малень-

кая.

9. Молекула какого вещества состоит из трех атомов?1. Вода. 2. Кислород. 3. Водород. 4. Углекислый газ.A) 1. B) 2. C) 3. D) 4.

10. В каком состоянии находится вещество, если при сжатии его объем умень-шается?1. Газ. 2. Жидкость. 3. Твердое тело.A) 1. B) 2. C) 3. D) 1 и 2.

11. Чем отличается молекула холодной воды от молекулы горячей воды?A) Массой. В) Размерами. С) Скоростью. D) Не отличаются.

12. Сколько атомов кислорода содержится в молекуле углекислого газа?А) 1. В) 2. С) 3.D) В составе молекулы нет атома кислорода.

13. На каком явлении основана сварка металлов?А) Диффузия.В) Броуновское движение.С) Сила притяжения между молекулами.D) Молекулы состоят из атомов.

14. Чему приблизительно равен диаметр молекулы воды?А) 0,0002 мм. В) 0,00002 мм.С) 0,000002 мм. D) 0,0000002 мм.

Контрольные вопросы к главе I


2828

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ БЕСЕДА

В нижеприведенной таблице вы ознакомитесь с кратким содержа-нием тем, изложенных во введении и главе I.

Физические тела Все встречающиеся в природе тела.Физическиепроцессы

Процессы, при которых частицы, из которых состоят веще-ства, остаются без изменения.

Физическиевеличины

Параметры, позволяющие измерить тела или физические про-цессы.

Международнаясистема единиц

(СИ)

Введена в 1960 году. В ней основными приняты 7 единиц: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила тока (ампер), температура (кельвин), сила света (кандела), количе-ство вещества (моль). Остальные физические величины полу-чаются из основных. Например 1Дж = 1 H · м.

Метр (м) Единица длины. Основная единица системы СИ. Числен-но равна пути, проходимому светом за 1/299792458 секунды. Эталон изготовлен из платино-иридиевого сплава. Хранится во Франции.

Секунда (с) Основная единица системы СИ. Приблизительно равна 1/86400 части солнечных суток (1 сутки = 24 часа = 86400 с).

Атом По-гречески – неделимый. Наименьшая частица, сохраняю-щая свойства химического элемента. В настоящее время из-вестно 88 естественных элементов, 17 из них получены в ла-бораториях.

Молекула Наименьшая частица, сохраняющая свойства вещества. Мо-лекулы в веществе состоят из одинаковых или неодинаковых атомов.

Диффузия Взаимное проникновение одного вещества в другое.Это происходит в газах быстро, в жидкостях медленно, в твердых телах очень медленно. Убыстряется с повышением температуры.

Броуновскоедвижение

Беспорядочное и непрекращающееся движение мельчайших ча-стиц в газе или жидкости. Это движение возрастает с ростом температуры. Процесс был изучен в 1827 году английским бо-таником Р. Броуном.

Молекулярные силы

Силы отталкивания и притяжения между молекулами. Прояв-ляются на очень коротком расстоянии.

– механическое движение тел;

– представление о равномерном и неравномерном движении;

– физические величины и их измерение;

– величины: путь, время, масса, плот ность и их определение на практике;

– давление в газах и жидкостях;

– законы Паскаля и Архимеда;

– явления в движущихся жидкостях;

– работа, энергия и мощность.

IIГЛАВА

МЕХАНИЧЕСКИЕЯВЛЕНИЯ

г

Глава II. Механические явления

3030


В повседневной жизни нам встречается множество движущих-ся тел, машин и механизмов: автомобили, вентиляторы, настенные и ручные механические часы и др. Если смотреть на движение ав-томобиля, то видно, что различные его части совершают различные движения. Если корпус автомобиля с грузом и с водителем двигается вперед или назад, то колеса и пропеллер для охлаждения двигателя совершают вращательное движение. Движение вперед, назад, вверх, вниз, направо и налево называют поступательным движением. Так как маятник от стенных часов совершает повторяющиеся движения, то его движение называют колебательным движением.

Таким образом, движение всех тел, окружающих нас, можно раз-делить на три вида.

1. Поступательное движение.2. Вращательное движение.3. Колебательное движение.

Не все тела могут находиться постоянно в движении. Например, подвешенный груз, опора в здании, веревка для белья и т.д. С перво-го взгляда кажется, что для них нет никакой закономерности. На са-мом деле, чтоб они оставались в состоянии равновесия, нужны опре-деленные условия.

Механическое движение тел, а также их состояние покоя вместе называются механическим явлением.

Сможете ли вы на примере едущего велосипедиста показать части, совершающие:1) поступательное движение;2) вращательное движение;3) колебательное движение?

31

ТЕМА 11

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ. ТРАЕКТОРИЯ

Вы, сидя в классе, слушаете урок физики, который ведет учитель. До этого, выйдя из дома, вы пришли в школу. Стол, за которым вы сидите, здание школы – все это стоит на месте. Из окна видно прохо-дящих людей, автомобили. Глядя на них, вы делаете вывод о том, что некоторые предметы находятся в движении, а некоторые – стоят. Де-лая такие выводы, на что мы обратили внимание? Каждая вещь или предмет в данный момент находится в определенном месте. Напри-мер, парта за которой вы сидите, находится в трех метрах от двери. Учитель сидит в двух метрах от вас. Учитель, встав с места, подошел к доске. Теперь он от вас находится в 2,5 метра. Значит, положение учителя в классе изменилось с течением времени. Точно также изме-нение положения автомобилей с течением времени по отношению к вам приводит вас к мысли о том, что они движутся. Движение всех их будем называть механическим движением.

Mеханическим движением называется изменение с течением времени положения тела относительно других тел.

Под словами «других тел» мы понимаем деревья, здания, сиденья в вагонах поезда и др. Из-за того, что мы рассматриваем изменение положения тел со временем относительно выбранных нами тел, эти тела называются телами отсчета. Тела отсчета относительно одних тел могут быть неподвижны, а относительно других – в движении.

Например, если за тело отсчета взять поезд Ташкент – Самарканд, то пассажир относительно вагона поезда будет неподвижен. Но сам вагон движется относительно земли. Поэтому при изучении движе-ния обязательно нужно выбрать тело отсчета.

При своем движении тела иногда оставляют след в пространстве. Этот след называется траекторией. Примерами этому могут быть следы, оставленные автомобилем, трактором в поле или самолетом, летящим в небе. В зависимости от траектории, движение может быть прямолинейным или криволинейным.

Механическое движение тел. Траектория


3232

Рис. 11 Рис. 12

Ось В колеса автомобиля относительно земли движется прямоли-нейно, а точка А на ободе колеса относительно оси В движется кри-волинейно (рис. 11). Траектория спортсмена, бегущего по стадиону, между точками 1 и 2 – криволинейная, а между точками 3 и 4 – пря-молинейная (рис. 12).

Форма траектории относительно рассматриваемого тела отсчета может быть различной. Например, если движение Луны относительно Земли происходит по кругу, то относительно Солнца оно имеет слож-ную форму, так как Земля вместе с Луной вращаются вокруг Солнца. Точно также траектория движения кончика пропеллера, охлаждающе-го двигатель, относительно двигателя имеет форму круга, а относи-тельно земли будет винтообразной.

Не всегда удается изобразить движущееся тело на рисунке. Поэтому в случаях, когда длина траектории намного боль-ше размеров тела, тело можно рассматривать как матери-

альную точку. Например, самолет, летящий из Ташкента в Бухару, можно рассматривать как материальную точку. Но поезд, проезжаю-щий по мосту, нельзя рассматривать как материальную точку. Слово «материальный» означает, что тело сохраняет массу, скорость и дру-гие физические величины.

1. Что называется механическим движением?2. Что вы понимаете под словами «тела отсчета»?3. В каком движении участвует кончик ручки, когда вы пишете?4. Приведите примеры случая, когда движущееся тело можно рассма-тривать как материальную точку.

33

ТЕМА 12

ПУТЬ, ПРОЙДЕННЫЙ ТЕЛОМ, И ВРЕМЯ, ЗАТРАЧЕННОЕ НА ЭТО. ЕДИНИЦЫ ПРОЙДЕННОГО

ПУТИ И ВРЕМЕНИ

Вы узнали, что с течением времени положение тела изменя-ется. Для определения этого изменения вводятся понятия путь (расстояние) и время.

Путь (расстояние) – это длина траектории движения тела.Для измерения расстояния используют единицу длины – метр.

Для обозначения расстояния берут первые буквы s и l английс ких слов space – расстояние, length – длина*.

Движение тела происходит в течение определенного времени. По-нятие времени – очень сложное, поэтому ему невозможно дать про-стое определение. Ограничимся знакомыми понятиями.

Например, автобус преодолел расстояние от Гулистана до Ташкен-та за 2 часа. Время обозначим буквой t от первой буквы английского слова time – время. Значит t = 2 часа.

В зависимости от длины пройденный путь для удобства измеря-ется также в километрах (км), дециметрах (дм), сантиметрах (см) и милимметрах (мм).

Например, среднее расстояние от Земли до Солнца равно 150 000 000 км, среднее расстояние от Земли до Луны 384 000 км, радиус Земли ~ 6400 км, расстояние от Ургенча до Нукуса ~ 170 км, длина школьной беговой дорожки 100 м, длина пройденного улиткой пути 15 см и т.д.

1 км = 1000 м; 1 м = 10 дм; 1 дм = 10 см; 1 см = 10 мм.* В последующем физические величины будем обозначать первыми буквами англий-

ских слов.

Путь, пройденный телом, и время, затраченное на это

3 – Физика, 6 класс


3434

Время движения тел измеряется в секундах. При необходимости время можно измерять в миллисекундах, минутах, часах, сутках и т.д.

1 сутки = 24 часа; 1 час = 60 минут; 1 минута = 60 секунд.

Для сравнения времени движения тел и пройденного пути измеренные величины надо привести к одной сис-теме.

Посчитайте, сколько шагов от дома до школы. При помощи линейки или измерительной ленты определите длину одного

шага. Умножьте длину одного шага на количество шагов и определи-те расстояние в метрах.

1. Приведите примеры, когда длину удобно измерять в мм и см.2. Какими еще измерительными приборами кроме линейки и измери-тельной ленты, вы пользовались в повседневной жизни, для измере-ния длины?

3. Сколько часов в одной неделе?

• Размер самого маленького атома – 0,00000001 см.• Размер самого маленького ядра – 0,000000000001 см.

• Расстояние от Земли до ближайшей звезды ≈ 10 000 000 000 000 000 км.• Расстояние от Солнца до Земли свет проходит приблизительно за

8 мин.• Время одного полного оборота Земли вокруг Солнца – 1 год.• Время одного полного оборота самого далекого небесного тела –

Плутона вокруг Солнца – 246 лет (в земных годах).• Возраст Солнца и планет считается равным ≈ 4 700 000 000 лет.

До принятия Международной системы единиц в различных стра-нах существовали свои единицы измерения. Например, в Англии и Соединенных Штатах Америки для измерения длины использовали следующие единицы: 1 дюйм = 2,54 см; 1 фут = 12 дюймов = 30,48 см; 1 миля = 1609 м; 1 морская миля = 1852 м. В России единицами длины

35

служили: 1 вершок = 4,445 см; 1 верста = 1066,8 м; 1 аршин = 71 см; 1 миля = 7 верст = 7467,6 м; 1 сажень = 3 аршина = 2,13 м. В Средней Азии: 1 шаг ≈ 63–71 см; 1 пядь ≈ 19–21 см; 1 верста ≈ 1066 м; 1 пучок ≈ ≈ 9 см; 1 палец ≈ 2,18–2,28 см; 1 фарсанг ≈ 9000 шагов ≈ 6000 м.

ТЕМА 13

ПОНЯТИЕ О РАВНОМЕРНОМ И НЕРАВНОМЕРНОМ ДВИЖЕНИИ. СКОРОСТЬ И ЕДИНИЦА ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ

В древности наши предки из одной страны в другую или из одно-го города в другой перемещались на лошадях и верблюдах. На дорогу уходили недели, а иногда и месяцы. Сейчас в любой конец мира мож-но попасть в течение дня, так как средства доставки из одного места в другое стали быстроходными. Значит, тела относительно друг друга перемещаются: некоторые – быстро, некоторые – медленно. Для учета этого вводят физическую величину – скорость.

Скорость тела – это величина, равная пройденному пути за единицу времени.

Скорость по-английски – velocity, поэтому она обозначается буквой υ.

Пройденный путьВремя, в течение которого этот путь был пройден

Скорость = υ =,

Единица скорости [υ] = 1мс .

Пусть скорость велосипедиста равна υ = 10мс .

Это значит, что за 1 секунду велосипедист проезжает расстояние, равное 10 м. Обычно скорость автомобилей измеряют в км

час . Если ско рость автомобиля равна 80 км

час , то тогда автомобиль проезжает за 1 час 80 км.

Если учесть, что 1 км = 1000 м и 1 час = 3600 с, то

1 км час = 1000 м

3600 с = 1036 мс .

Понятие о равномерном и неравномерном движении


3636

Пусть скорость автомобиля будет 72 км час, в мс она выразится сле-

дующим образом:

72 км час = 72 · 1000 м

3600 с = 20 м/с.

Если какое-либо тело за любые равные промежутки време-ни проходит одинаковое расстояние, то такое движение назы-вается равномерным.

Примером может служить распространение звуковых волн в воз-духе и распространение радиоволн. Концы часовых стрелок также движутся равномерно.

Автомобили также могут двигаться равномерно в течение корот-кого промежутка времени. В повседневной жизни равномерное дви-жение тел встречается крайне редко. Например, автомобиль, отходя от остановки, проходит за равные промежутки времени все большее и большее расстояние. Приближаясь к остановке, он уменьшает ско-рость и останавливается.

Движение, при котором скорость на разных участках пути раз-ная, называется неравномерным.

В этом случае пользуются понятием средней скорости.Средней скоростью называется физическая величина, численно равная отношению пройденного пути ко времени, за которое этот путь был пройден.

Пройденный путьВремя, в течение которого этот путь был пройденυср= . υср=

При измерении расстояние от дома до школы заметьте вре-мя, в течение которого этот путь был вами пройден. Ис-пользуя полученные показатели, найдите среднюю скорость движения.

37

Примеры решения задач.Задача 1. Электропоезд из Янгиера в Ташкент прибыл за 3 часа.

Найдите среднюю скорость электропоезда, если расстояние между городами в среднем равно 150 км.

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :s = 150 кмt = 3 часа

υср = υср = 150 км 3 часа = 50 км

час .

Требуется найти:υср = ? Ответ: 50 км

час .

Задача 2. Вода в новом канале течет равномерно. Скорость тече-ния воды 1,5мс . Какое расстояние пройдет тело, брошенное в воду, за 20 секунд?

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :

υ = 1,5 мсt = 20 с

υ = , отсюда

s = υ· t

s = 1,5мс · 20 с = 30 м.

Требуется найти:s = ? Ответ: 30 метров.

1. Что понимают под равномерным движением?2. Как определяется расстояние в равномерном движении, если известно время и скорость движения?

3. Какое движение называется неравномерным?4. Как определяется средняя скорость тела?

Упражнение 1.

1. Какое расстояние пройдет поезд за 30 минут, если его средняя скорость равна 80 км

час ? (Ответ: 40 км).

Понятие о равномерном и неравномерном движении


3838

2. Что больше, 1 км час или 1 мс ? Дайте аргументированный ответ.

3. Автобус из города Нурата до города Кошрабат доехал за 90 ми-нут. Найдите среднюю скорость автобуса, если среднее расстояние между городами равно 90 км. (Ответ: 60 км

час ).

4. Выразите 54 км час в мс .

5. За какое время улитка, имеющая скорость 1,5 см с , преодолеет

расстояние 30 см?6. В прогнозе погоды сообщили, что скорость ветра будет равной

10 м с . Чему будет равна скорость ветра, выраженная в км

час ?7. Автобус за 2,5 часа проехал расстояние 225 км. Чему равна

средняя скорость? (Ответ: 90 км час ).

8. Пчела, собирая мед, за 1,5 часа пролетела растояние 30 км. Най-дите среднюю скорость полета. (Ответ: 5,5 мс ).

9*. Всадник, передвигающийся со скоростью 46 км час , добрался из

одного кишлака до другого за 2 часа. Какое время понадобится че-репахе, двигающейся со средней скоростью 0,5 км

час , чтобы преодо-леть это же расстояние? (Ответ: 184 час).

39

ТЕМА 14

МАССА ТЕЛА. ЕДИНИЦЫ МАССЫ

В повседневной жизни вы сами или с родителями ходите на рынок. Вы знаете, что многие пищевые продукты при продаже взвешиваются на весах. Как сравниваются тела и предметы при взвешивании на ве-сах? Чтобы понять это, обратим внимание на следующее. Что легче сдвинуть с места, игрушечную детскую машину, наполненную песком, или настоящую машину, наполненную песком? Что легче остановить, равномерно двигающуюся детскую машину или настоящую машину? Конечно, каждый из вас ответит, что игрушечную машину. Приведем другой пример. Что легче поднять, целлофановый пакетик, наполнен-ный сахаром, или мешок с сахаром? В этом случае правильный ответ: легче поднять целлофановый пакет. Из этого можно сделать следую-щий вывод: если тела находятся в состоянии покоя, то для выведения их из этого состояния необходимо на них подействовать. Значит тела и предметы стараются сохранить состояние покоя, а также состояние движения, и это называется инертностью. Но это свойство различно у разных тел. Для измерения инертности тел используется физическая величина под названием «масса». Способов измерения массы тела много. Один из самых известных – это взвешивание на весах. Как было сказано выше, единицей массы является 1 килограмм. Между-народный образец (эталон) хранится в г. Севре, близ Парижа (рис. 13).

Изготовленный из платиново-иридиевого сплава образец имеет форму цилиндра высотой и диаметром 39 мм. С этого образца изготовле-ны копии и распространены в другие страны.

Величина массы тела зависит от количества имеющегося в нем вещества или предметов. Например, масса одного мешка орехов больше массы одного пакета орехов, масса одного ве-дра воды больше массы одного стакана воды.

Масса тела. Единицы массы

Рис. 13


4040

Массу тел и предметов можно измерять единицами большими или меньшими, чем килограмм.

1 тонна (т) = 10 центнеров (ц) = 1000 кг.1 кг = 1000 граммов = 1 000 000 миллиграммов.

Масса тела измеряется при помощи рычажных весов. Для этого на левую чашку весов помещают тело, массу которого нужно опреде-лить, а на правую – гири. Гири подбирают так, чтобы установилось равновесие (рис. 14 а, б).

б)a)

Рис. 14

Потом подсчитывают общую массу гирь, уравнове-шивающих тело.

Масса тела, взвешенного на рычажных весах, не за-висит от того, нагрето или охлаждено тело, а также, от места и времени измерений. По этой причине в опытах и при расчетах масса данного тела считается постоянной (m = const).

Иногда на рынке можно встретить продавцов, взвешивающих овощи на пружинных весах (рис. 15). Внутри этих весов имеется пружина, которая растягивается под действием груза. Показания весов зависят от жесткости пружины, от температуры воздуха, от того, вернулась ли пружина в свое прежнее состояние после перегруза. Также пока-зания весов зависят от места взвешивания: около северного полюса

Рис. 15

41

Земли или около экватора. Поэтому они бывают не очень точными. Массу тела лучше измерять на рычажных весах. Невозможно непо-средственно измерить массу очень маленьких частиц и очень боль-ших тел (Луна, Солнце). Их массы определяются косвенными вычис-лениями. Разговор об этом пойдет в старших классах.

Дома сделайте весы, воспользовавшись палочкой, нитками, крышкой от баночки, куском проволоки для стрелки. В каче-стве гирь используйте монеты.

1. Как вы объясните понятие «масса тела»?2. На каких весах масса тела измеряется точнее: рычажных или пру-жинных? Дайте обоснованный ответ.

3. Из трех монет одна легкая. Можно ли, взвесив монеты один раз на весах без гирь, узнать, какая из них легче, если форма и вид монет одина ковые?

ТЕМА 15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ ТЕЛА НА РЫЧАЖНЫХ ВЕСАХ

Необходимые принадлежности. Рычажные весы с гирями, ста-кан, вода, куб, массу которого необходимо определить, тело в форме цилиндра.

Выполнение работы.1. Ознакомьтесь со строением рычажных весов и гирями, имею-

щими разные массы (рис. 16).2. Перед взвешиванием весы необходимо привести в уравновешен-

ное состояние. При необходимости на чашки нужно положить поло-ски бумаги.

3. Взвешиваемое тело кладут на левую чашку весов, а гири – на правую.

Лабораторная работа


4242

50 500 200

100 10 20 20 50

Рис. 16

4. Во избежание порчи весов берут гирю с массой, близкой к мас-се взвешиваемого тела. При большой разнице масс весы могут зашка-лить.

5. На чашки весов нельзя класть мокрые, грязные, горячие тела, наливать жидкости, насыпать без использования подкладки сыпучие вещества (сахар, песок, соль).

6. Нельзя взвешивать тела тяжелее, чем указано в паспорте весов.7. Мелкие гири нужно брать из коробки только пинцетом. Если

брать их руками, то влага и жир с рук перейдут на гири и изменят их массу.

8. Если гиря окажется легче взвешиваемого тела, то в чашку надо подкладывать гири.

9. Если весы уравновесятся, стрелка покажет 0 или же чашки рас-положатся на одной линии, затем подсчитывают общую массу гирь, лежащих на чашке весов.

10. На весах взвешивают массу пустого стакана (mст) (рис. 17).11. Снимают стакан с чашки и наливают в него определенное

количество воды.12. Ставят стакан с водой на чашку весов и взвешивают массу ста-

кана с водой mст. вод.13. Определяют массу воды в стакане по формуле mвод = mст.вод − mст.

43

Рис. 17

П р и м е ч а н и е : Если масса измеряемого тела будет больше или меньше, даже когда вы положите самую маленькую гирю (20 мг), то общую массу можно округлить. Например, если

при 100 г + 20 г + 1 г + 500 мг + 20 мг тяжелее, а при 100 г + 20 г + + 1 г + 500 мг легче, то m ≈ 121,5 г.

1. Как изменяется масса тел при нагревании?2. Почему измерения на рычажных весах точнее, чем на пружинных?3. Подумайте, как можно измерить массу газа.4. Что понимается под инертностью тел?

• Масса мухи ∼ 0,001 г.• Масса одного зерна пшеницы ∼ 0,01 г.

• Масса Земли ∼ кг.

• Масса Солнца ∼ кг.



4444

ТЕМА 16

ПЛОТНОСТЬ И ЕДИНИЦЫ ПЛОТНОСТИ. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПО БЕРУНИ И ХАЗИНУ

В мензурку нальем определенное количество теплой воды. Определив объем, растворим в ней ложку сахара. Заметим, что в этом случае объем воды не изменился. Куда делся сахар? Части-цы сахара распределились между частицами воды. Некоторые ча-стицы в веществе располагаются близко, а другие – далеко. Кроме этого, массы частиц различных веществ бывают разными. Такое свойство вещества определяется физической величиной, называе-мой плотностью.

Плотностью вещества называется масса, приходящаяся на единицу объе ма.

Плотность обозначается буквой ρ.

плотность = масса объем,

Единицей плотности вещества является 1 кг м3 .

ρжелезо= 7,8 г см3 = 7800 кг м3 . Масса железного куба со сторонами, равными 1 м, равна 7800 кг. Масса точно такого же медного куба равна 8900 кг. Плотность газов маленькая, а плотность жидко-стей – побольше. Плотность твердых тел больше, чем у газов и жидкостей. (рис. 18).

Плотность вещества можно выражать в кг м3 или г

см3 . Если плот-ность дается в единице кг

м3 , на г см3 можно переходить следующим

образом:

1 кг м3 = 1000 г

1000 000 cм3 = 1 1000 г см3 = 0,001 г см3 .

45

Воздух Вода Свинец Ртуть m = 0,00129 г 1 г 11,3 г 13,6 г

Рис. 18

1 см3 1 см3 1 см3 1 см3

Значит, для определения плотности ка-кого-либо тела или вещества измеряют его массу и объем. Массу можно измерить на ве-сах. Но объем тел различной формы не всег-да можно определить при помощи линейки. Например, серьги, медальоны. Объем тел, не растворимых в воде, определяют следующим образом (рис. 19). Объем кольца равен 2,8 см3

− 2 см3 = 0,8 см3.

Способом, приведенным выше, определите плотность пуго-вицы, чайной ложки и похожих предметов. Помните, зная

способ определения плотности, можно проверить подлинность зо-лотых изделий!

Таблица 1

Твердые тела г/см3 Жидкости г/см3 Газы г/см3

Алюминий 2,7 Керосин 0,8 Кислород 0,00143Лед 0,9 Спирт 0,79 Азот 0,00125

Серебро 10,5 Растительное масло 0,9 Водород 0,09Золото 19,3 Серная кислота 1,8 Природный газ 0,0008Сталь 7,8 Молоко 1,03 Хлор 0,00321Платина 21,5 Мед 1,35 Угарный газ 0,00125Иридий 22,4 Морская вода 1,03 УглекислыйМедь 8,9 Бензин 0,71 газ 0,00198

Оконное стекло 2,5

* Если объем жидкости дается в литрах, то объем 1 литра считается равным 1 дм3 или 0,001 м3.

Рис. 19

Плотность и единицы плотности. Методы определения плотности по Беруни и Хазину


4646

Примеры решения задач.Задача 1. Чему равна масса золотого браслета объемом 2 см3?

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :V = 2 см3

ρ = 19,3 г/см3, отсюда

m = ρ · Vm = 19,3 г см3 · 2 см3 = 38,6 г

Требуется найти:m = ? Ответ: m = 38,6 г.

Задача 2. Чему равен объем алюминиевого тела массой 100 г?

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :m = 100 гρal = 2,7 г/см3

, отсюда V = 100 г 2,7 г/см3 = 37,037 см3

Требуется найти:V = ? Ответ: V = 37,037 см3.

Ученик Омара Хайяма Абу Фатх Абдуррахман аль-Мансур аль-Хазин родился в г. Мерве. Из-вестностью пользуется его книга под названи-ем «Весы мудрости» и астрономическая таб-лица (1120 г.).

Наши соотечественники Беруни и Абдуррах-ман Хазин с большой точностью определяли

плотности различных веществ. Для измерения плотности веществ различной конфигурации Беруни изготовил специальный прибор (рис. 20). Тело, объем которого необходимо было измерить, погружа-лось в сосуд 1 с водой. Тогда жидкость, равная объему измеряемого тела, через горлышко 2 вытекала в чашку 3. Беруни также определил плотности веществ, которые легче воды, таких как воск, парафин, дерево. Определив плотности пресной и соленой воды, он выразил мысль об использовании этого явления.

Рис. 20

47

Беруни в своем труде «Индия» утверждал: «Опасность, которую представляют для судов эти места (места впадения рек в моря), заключа-ется в том, что пресная вода в отли-чие от соленой воды хуже поднимает тяжелые тела».

Абдуррахман Хазин для более точного измерения плотностей тел пред ложил измерять их в вакууме. Для этого он изготовил специальные весы (рис. 21).

1. Сравните объемы 100 г сахар ного песка и изготовленного из него ра-финада.

2. Сравните плотности сладкого и несладкого чая (проведите опыт).3. Выразите плотность в г/см3, если она дана в кг/м3.4. Сколько кг будет в одном литре растительного масла?

Упражнение 2.1. Сколько кг молока содержится в трехлитровом баллоне? (От вет: 3,09 кг).2. Какой объем занимает лед массой 18 кг? (Ответ: 20 литров).3. Сколько килограммов растительного масла можно налить в пол-

литровую бутылку? (Ответ: 450 г).

ТЕМА 17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Необходимые принадлежности. Рычажные весы с гирями, измери-тельная линейка, предметы в форме прямоугольного параллелепипеда, изготовленные из дерева, пластмассы, металла. Предметы, имеющие не-правильную геометрическую форму (маленькие ножницы, перочинный ножичек), мензурка.


Рис. 21


4848

Выполнение работы. 1. Берется один из предметов в форме прямоугольного параллелепипеда и измеряется при помо-щи линейки его длина (l1), ширина (l2) и высота (l3) (рис. 22). Вычисляется объем V = l1 · l2 · l3.

2. На одну чашку весов кладется пря-моугольный параллелепипед, на вторую чашку – гири и устанавливается равнове-сие весов. Подсчитав массу гирь, опреде-ляют массу тела.

3. Рассчитывается плотность тела по формуле .4. Как было указано выше, определяются плотности остальных

прямоугольных параллелепипедов.5. Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу.

Тело Длина,см

Ширина,см

Высота,см

Объем,см3

Масса,г

Плотность,г/см3

ДеревянныйпрямоугольныйпараллелепипедПластмассовыйпрямоугольныйпараллелепипедМеталлическийпрямоугольныйпараллелепипед

6. На весах взвешивается масса m одного из тел неправильной формы.

7. В мензурку наливают воду так, чтобы при опускании тела в воду верхний уровень не превышал линий мензурки. В начале запи-сывается уровень воды V1.

8. Тело с определенной массой опускают в мензурку, удерживая его за нитку (рис. 19). Измеряется объем жидкости с погруженным в нее те-лом V2.

9. Рассчитываем объем тела по формуле: Vтела = V2 − V1 (объем тела).

Рис. 22

49

10. По формуле ρтела = mтела

Vтела рассчитывается плотность тела.

11. Опыт повторяется с другим телом, и результаты заносятся в таб лицу.

Тело V1, см3 V2, см

3 Vтела, см3 m, г ρ, г/см3

1.2.

Зная плотность тел, попытайтесь определить, из какого мате-риала они изготовлены.

1. Объем каких еще тел, кроме параллелепипеда, можно определить с по-мощью линейки?

2. Дайте свои предложения по определению плотности жидкости.3. Плотность какого тела можно изменить внешним воздействием?

• Знаете ли вы, что существует жидкость намного тяжелее твердого тела? Если эту жидкость налить в трехлитровый баллон, вы не сможете его унести, так как его масса будет больше 40 кг. Эта жидкость – ртуть.

• Плотность в центре Солнца равна 16000 кг/м3. Из табли-цы видно, что самая большая плотность (для иридия) равна ρ = 22400 кг/м3. На поверхности же Солнца плотность равна 0,0001 ÷ 0,00001 кг/м3. Это меньше плотности воздуха в ат-мосфере почти в 10 тысяч раз.

• Средняя плотность Земли равна 5520 кг/м3.

ТЕМА 18

СВЕДЕНИЯ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ТЕЛ. СИЛА

Оглядев окружающий нас мир, мы видим, что все тела оказывают воздействие друг на друга.

Камень, брошенный вверх, падает, так как Земля притягивает его. Если к магниту приблизить кусочек железа, то магнит притянет его.

Сведения о взаимодействии тел. Сила

4 – Физика, 6 класс.


5050

Мяч, брошенный в сетку, отскакивает от нее. Если выключить мотор движущегося автомобиля, то тот через некоторое время остановится. В этом случае скорость меняется за счет взаимодействия колес с дорогой.

За счет взаимодействия скорость тела изменяется.Если пластилин или жвачку сдавить между пальцами, изменяется

их форма. Точно также, если ударить молотком по медной монете, из-меняется ее форма.

Величина, являющаяся причиной изменения скорости или формы при взаимодействии одного тела с другим, называется си-лой.

В природе сила проявляется в различных формах (рис. 23). Из-за того, что Земля притягивает тела, появляется сила тяжести. При дви-жении одного тела по другому из-за неровностей поверхности воз-никает сила трения. В рас тянутой или сжатой пружине или резине возникает сила упругости. В детском пистолете используется сжатая пружина.

Если первое тело воздействует на второе, то и второе воздейству-ет на первое. Если с силой ударить рукой по столу, то поверхность стола слегка изгибается, ручки и карандаши на столе подскакивают, а ваша рука заболит. Значит, между двумя телами существует взаимо-действие.

Из начального курса географии вы знаете, что Земля вращается вокруг Солнца, а Луна вращается вокруг Земли. Причиной этого дви-жения является то, что между небесными телами существуют силы притяжения.

После расчесывания волос расческа начинает притягивать мелкие кусочки бумаги. Это вызывается электрическими силами. Подково-образные и прямые магниты притягивают железные предметы. Это вызывается магнитными силами.

Между частицами, из которых состоят вещества, и мельчайшими частицами, из которых состоят сами частицы, действуют силы. Об этих силах вы узнаете в старших классах.

За единицу силы принят 1 Ньютон (1H). Эта единица названа в честь знаменитого английского ученого Исаака Ньютона.

51

Сила тяжести

Сила трения

F F

Сила упругости

Силапритяжения

Солнце

Земля

Луна

Электрическая и магнитная силы

Рис. 23

Сведения о взаимодействии тел. Сила


5252

Измерение силы. Для измерения силы используется прибор, который называется динамометр.

Прибор состоит из дощечки, на которой укреплена пружина, пружина заканчивается внизу стержнем с крючком, к верхней части стержня крепят указатель. На крючок в конце стержня вешают груз. К крючку подвешивают груз массой 102 г, и пружина растягивается. Указатель на конце пружины остановится у от-метки 1 (рис. 24). Здесь сила упругости пружи-ны будет равна силе тяжести. Стрелка динамо-метра покажет силу 1 Н. Затем подвешивают груз весом 1 Н, пружина динамометра растя-

нется, указатель опустится вниз. На этом месте ставят отметку 2. Увели-чивая таким образом грузы на динамометре, можно проставить цифры 3, 4, 5 и т.д. Вообще, если известна масса тела, то можно по формуле:

Fсила тяж. = m · g

вычислить силу тяжести, действующую на тело.

Здесь g = 9,81 Н кг и остается постоянной на поверхности Земли.

1. Наблюдая вокруг себя приведите примеры взаимодействия тел.2. Где можно использовать силы упругости?3. Где сила трения полезна, а где вредна?

Упражнение 3.1. При взвешивании ученика его масса равнялась 32 кг. Чему рав-

на сила тяжести, действующая на его тело? (Ответ: 314 Н).2. Когда подвесили груз к динамометру, его показание было рав-

но 24,5 Н. Определите массу подвешенного к динамометру груза. (Ответ: 2,5 кг).

Рис. 24

г

53

3. На плече у крестьянина находится мешок с морковью весом 50 кг. Масса крестьянина 70 кг. С какой силой крестьянин давит на Землю? (Ответ: 1176 Н).

ТЕМА 19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫПРИ ПОМОЩИ ДИНАМОМЕТРА

Необходимые принадлежности. Динамометр, тела различной массы, резина, гладкая доска с крючком на конце, стол.

Выполнение работы.1. Измерение силы тяжести. Изучите шкалу динамометра. Запи-

шите пределы измерения и степень точности динамометра. Укрепите динамометр на штативе, подвесьте к крючку грузы различной массы. Каждый раз записывайте показания динамометра.

2. Измерение силы трения.Опыт 1. Поставьте на стол гладкую дощечку с крючком на конце.

Пропустите крючок динамометра через крючок на дощечке (рис. 25).

Рис. 25

Взяв за конец динамометра, медленно потяните его. С момента, как тело начало движение, постарайтесь, чтобы это движение было равномерным. В этом состоянии запишите показание динамометра.

П р и м е ч а н и е : При равномерном движении тела сила тяги F будет равна силе трения Fтр . F = Fтр.

Опыт 2. Поставьте на дощечку груз массой 1 кг (или 0,5 кг). По-вторите опыт. Используя показания динамометра, найдите силу тре-ния. Изменяя величину груза на дощечке, определите силу трения.



5454

3*. Измерение силы упругости.Опыт 1. Так как основным узлом динамометра является пружина,

то вес груза, подвешенного на динамометре, будет равен силе упру-гости пружины.

Опыт 2. Для измерения силы упругости резины последнюю крепят концами к динамометру и дощечке (резина длиной l0 = 15– 20 см). Взяв за конец динамоме-тра, медленно его потяните и до-

бейтесь, чтобы движение груза было равномерным (рис. 26). Резина растянется, и силу упругости ее можно определить по показанию динамо метра.

Опыт 3. Динамометр укрепляют на штативе в вертикальном поло-жении. К крючку динамометра привязывают резину длиной 10–15 см. На конце резины при помощи нитки образовывается петля. На петлю вешают грузы с известной массой. По показанию динамометра опре-деляют силу упругости резины.

Таблица измерения силы трения

Показания динамометра без груза, Н Масса груза, кг Показания динамометра

с грузом, Н

Таблица измерения силы упругости

Показания динамометра с подвешенным грузом, Н

Показания динамометрапри движении груза, Н

Показания динамометра с резиной, Н

1. Почему сила трения возрастает, когда на дощечку кладут груз?2. Как изменится показание динамометра, если резину сложить вдвое?3. Можно ли измерить силу тяжести при помощи весов?

Рис. 26

55

ТЕМА 20

ДАВЛЕНИЕ. ЕДИНИЦЫ ДАВЛЕНИЯЕсли острый конец гвоздя направить на доску и по шляпке уда-

рить молотком, гвоздь легко войдет в доску. Если направить на до-ску шляпку и ударить молотком по острию, то гвоздь не войдет в доску. Сила удара молотка в обоих случаях одинакова. Тогда почему результат оказался различным? Причина в том, что хотя сила удара одинакова, но приложена она к разным площадям.

Физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности, назы-вается давлением.

Давление = сила давления площадь поверхности .

p – давление, F – сила давления, S – площадь поверхности.

[p] = 1 Н 1 м2 = 1 Паскаль. Сокращенно 1 Па. Эта единица на-

звана в честь знаменитого французского ученого Б. Паскаля (1623–1662).

Давление имеет большое значение в природе и технике. Для уве-личения силы давления ножи и ножницы затачиваются.

Для увеличения давления площадь острия иглы или кнопки уменьшается (рис. 27).

Для уменьшения давления, наоборот, площадь нужно увеличи-вать. Шины для большегрузных автомобилей делаются шире, чем для легкового автомобиля. Фундаменты высотных зданий делают широ-кими. Почему, стоя на снегу на лыжах, не проваливаешься в снег?

Рис. 27

Давление. Единицы давления


5656

Примеры решения задач.Задача 1. Вес мальчика равен 500 Н. Площадь подошв его обуви

равна 300 см2. Какое давление на пол оказывает мальчик?Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :

F = 500 НS = 300 см2

Требуется найтиp = ?

S = 300 см2 переведем в м2:S = 300 см2 = 300 · м · м = = м2.

p = 500 Н 3 100 м

2 = 500 · Н

м2 = 1666,(6) Пa.

Ответ: p = 1666,(6) Па.Задача 2. Вес кирпича равен 10 Н, размеры соответственно 20, 10

и 5 см. Определите давление, оказываемое кирпичем на опору в раз-личных положениях.

Д а н о : Ф о р м у л а :

1

5

20

23

10

F = 10 Нl1 = 20 смl2 = 10 смl3 = 5 см

Требуется найтиp = ?В первом положении площадь опоры кир-пича равна S1

= l1 · l2, S1 = 20 см · 10 см = 20 · · м · 10 · м = м2

10 Н 2 100 м

2 =

Н м2 = 500 Па.

Ответ: p1 = 500 Па.

Во втором положении площадь опоры кир-пича равна S2 = l1 · l3.S2 = 20 см · 5 см = = 20 · м · 5 · м =

= м2; p2 =

p2 = 10 Н 1 100 м

2 = 1000 Н

м2 =

= 1000 Па.Ответ: p2 = 1000 Па.

В третьем положении площадь опоры кир-пича равна S3

= l2 · l3, S3 = 10 см · 5 см == 10 · м · 5 · м =

= м2. p3 = 10 Н 5 1000 м

2 =

= Н м2 = 2000 Па.

Ответ: p3 = 2000 Па.

57

Зная свою массу и площадь ботинка, вычислите, какое давле-ние вы производите, стоя на месте. Массу можно определить в медицинском кабинете или в спортзале. Площадь опоры бо-

тинка определите следующим образом. Поставьте ногу на лист клет-чатой бума ги и обведите контур подошвы. Сосчитайте число полных квадратиков. Прибавьте к нему половину числа неполных квадрати-ков. Полученное число умножьте на 0,25 см2.

1. Расскажите о явлениях в повседневной жизни, связанных с давлением.2. Почему легковой автомобиль вязнет на пашне, а тяжелый трактор нет?

3. Знаете ли вы предназначение наперстка при шитье?4. Когда человек оказывает на землю большее давление: когда стоит на месте или когда бежит?

Упражнение 4.

1. Как можно рассчитать площадь, если известны вес тела и дав-ление, оказываемое на опору?

2. Скольким паскалям равны 0,02 Н см2 ?

3*. Веранда дома имеет 8 опор. Поперечное сечение каждой опоры равно 400 см2. Если масса перекрытия веранды составляет 1500 кг, какое давление оказывает на землю каждая опора? (От-вет: 45937,5 Па).

4. Чему равно давление, если на гвоздь с площадью 0,1 см2 оказы-вается воздействие с силой 20 Н?

5. Сколько Н см2 равен 5 Па?

6. Вес Эйфелевой башни в Париже равен 5000 кН, площадь осно-вания равна 450 м2. Вычислите давление, которое она оказывает на землю?

Давление. Единицы давления


5858

ТЕМА 21

ЗАКОН ПАСКАЛЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕПроведите следующий опыт. Возьмите шприц и надувной шарик. Надуйте шар. Проткните шпри-цем шар. Закройте отверстие пальцем, снова на-

дуйте шар и снова проткните шприцем. Это повторите несколько раз. Наполните шарик водой и наденьте на шприц, предварительно удалив иглу. Медленно начинай-те давить на поршень шприца. В этом случае давление внутри шара будет расти, и вода польется из всех отвер-стий шара. Если повторить опыт, наполнив шар дымом, можно наблюдать похожее явление (рис. 28).

Таким образом, давление поршня в жидкости или в газе передается не только по направлению поршня, а во все стороны. Это явление изучил французский ученый Блез Паскаль в 1653 году. Он обнаружил, что:

давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку объема жидкости или газа.

Жидкость или газ передают оказываемое на них давление через частицы, из которых они состоят. Для того чтобы передавать давле-ние, частицы должны быть в движении. Действительно, многие явле-ния (распространение запаха в воздухе, растворение чернил в воде) доказывают, что частицы воды и газа находятся в движении.

Из-за движения частицы сталкиваются со стенками сосуда и соз-дают внутреннее давление. Для внутреннего давления закон Паскаля формулируется следующим образом.

Без учета силы тяжести давление, оказываемое частицами жидкос ти или газа на стенки сосуда, во всех направлениях оди-наково.

Закон Паскаля широко используется в технике. Так называемый принцип гидравлического пресса используется в тормозных систе-мах автомобилей, поездов, на экскаваторах и подъемных кранах.

Гидравлический пресс. Гидравлический пресс состоит из двух ци-линдров разного диаметра, снабженных поршнями и соединенных

Рис. 28

59

трубкой. Цилиндры заполняются жидкостью (рис. 29). Площади поршней различные (S1 и S2). Если на поршень с маленькой поверхностью по-действовать силой F1, то в жидкость передается давление . По закону Паскаля это давле-ние передается во все стороны без изменения. В частности, и на второй поршень площадью S2.

На поршне создается давление . Из

равенства р1 = р2 вытекает , отсюда:

Следовательно, сила F2 во столько раз больше силы F1, во сколько раз площадь большего поршня больше площади малого.

Пример решения задач.Задача 1. В гидравлическом прессе площадь малого поршня 5 см2,

площадь большого – 50 см2, какой выигрыш в силе дает такой пресс?Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :

S1 = 5 см2

S2 = 50 см2 , отсюда 50 см2

5 см2 = 10 раз.

Требуется найти

= ? Ответ: 10 раз.

Проверьте закон Паскаля, налив воду в целлофановый пакет.

1. Какие еще устройства вы знаете, где используется закон Паскаля?2. На каком опыте можно увидеть существование внутреннего давления?3. За счет чего гидравлический пресс дает выигрыш в силе?4. Если гидравлический пресс дает выигрыш в силе, то в чем проигрыва-ет? Подумайте об этом.

5. Можно ли в гидравлическом прессе вместо жидкости использовать воздух?

Закон Паскаля и его применение

Рис. 29


6060

ТЕМА 22

ДАВЛЕНИЕ В ЖИДКОСТИ И ГАЗЕВ СОСТОЯНИИ ПОКОЯ

Ранее мы говорили о существовании внутреннего давления в жидко-стях и газах. Это давление также называется давлением в состоянии покоя. Частицы, образующие жидкости и газы, обладают собственным весом, поэтому каждый слой своим весом создает давление на другие слои. Складываясь, это давление передается на дно сосуда. Это давление также называется гидростатическим. Давайте подсчитаем это дав-ление.

Выделим в жидкости слой толщиной Δh (рис. 30). Этот слой своей тяжестью оказывает давление на нижние слои. Поверхность сосуда S по всей высоте сосуда остается по-стоянной. Тогда давление, оказываемое слоем, будет рав-но ΔF – вес слоя Δh. ΔF = Δmg = ρ · ΔV · g = ρ · S · · Δh · g, отсюда =ρ g · Δh. Давление жидкости на дно сосуда равно сумме давления слоев:

p = ρgh

Из этой формулы видно, что давление жидкости на дно сосуда не зависит от площади, а зависит только от плотности и высоты столба жидкости. Доказательство этому можно увидеть на следую-щем опыте. На рис. 31 показаны стеклянные сосуды, имеющие раз-личные площади основания. Если в первый сосуд налить воду до определенного уровня, то наблюдается, что уровень воды в других сосудах такой же, как и в первом.

Система сосудов, соединенных между собой у основания, на-зывается сообщающимися сосудами.

Примером сообщающихся сосудов может быть чайник (рис. 32), водопроводная система. Проведем следующий опыт.

Рис. 30

61

Рис. 31 Рис. 32 Рис. 33

Возьмем два стеклянных сосуда и соединим их между собой резиновой трубкой (рис. 33). В одну из трубок нальем воду. Затем откроем зажим и увидим, что вода начинает перетекать в другую трубку до тех пор, пока поверхность воды в обеих трубках не установится на одном уровне.

Закрепим одну из трубок, а другую будем поднимать и опускать, уровень воды в обеих трубках останется одинаковым.

Отсюда вытекает закон сообщающихся сосудов. В сообщающих-ся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жид-кости устанавливаются на одном уровне.

Значит, высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с меньшей плотностью. Отсюда сле-дует, что высота столба растительного масла выше, чем высота стол-ба воды.

Возьмите сосуд из-под прохладительных напитков и в боко-вой поверхности его на разной высоте от дна сделайте отвер-стия. Закройте отверстия спичками и наполните сосуд водой.

Откройте отверстия и определите дальность струйки. Объясните при-чину.

1. От чего зависит гидростатическое давление?2. Приведите примеры сообщающихся сосудов.3. Почему высота различных жидкостей в сообщающихся сосудах быва-ет разной?

Давление в жидкости и газе в состоянии покоя


6262

Упражнение 5.1. Если на малый поршень гидравлического пресса действует сила

10 Н, то на большом поршне получаем 180 Н. Чему равна площадь ма-лого поршня, если площадь большого поршня 90 см2? (Ответ: 5 см2).

2. В одно колено сообщающихся сосудов (рис. 33) наливают рас-тительное масло, в другое – воду. Чему равна высота столба масла, если высота столба воды равна 30 см? (Ответ: ≈33,3 см).

3.* Рассчитайте давление воды на дно аквариума с размерами: длина 50 см, ширина 40 см и высота 50 см. (Ответ: 4900 Пa).

ТЕМА 23

АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ. ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИВы узнали, что жидкость оказывает давление на дно сосуда. А

оказывают ли точно такое же давление газы? Чтобы оказать давле-ние, они должны иметь массу, т.е. вес. Чтобы проверить это, прове-дем следующий опыт.

Возьмем хорошо накачанный мяч, положим на электронные весы, они покажут определен-ные цифры. Затем из мяча пол-ностью выпус тим воздух. По-ложим мяч опять на весы. Здесь мы увидим, что весы показыва-ют нам другие цифры (рис. 34). Значит и воздух имеет вес.

Вам известно, что Землю окружает воздушная оболочка. Ее назы-вают атмосферой. Воздух своей тяжестью оказывает давление на по-верхность Земли. Это давление называется атмосферным давлением. Для определения атмосферного давления нельзя воспользоваться фор-мулой р = ρgh, так как в состав атмосферы входят различные газы, и высота ее точно не определена. В состав атмосферы входит 78% азота, 21% кислорода и другие газы. При температуре 0°С на поверх-ности Земли плотность воздуха равна 1,29 кгм3 . Плотность воздуха с

Рис. 34

63

высотой уменьшается. Например, на высоте 5,4 км от поверхности Земли плотность воздуха в 2 раза меньше, чем его плотность у поверхности Земли, на высоте 11 км меньше в 4 раза. С повы-шением высоты плотность воздуха уменьшается, и постепенно атмосфера переходит в безвоздуш-ное пространство. Определенной границы у ат-мосферы нет. Если частицы воздуха имеют вес, то почему они все не падают на Землю? Причи-на в том, что они находятся в непрерывном дви-жении. Тогда почему же они, как ракеты, не уле-тают в космос? Дело в том, что скорость частиц воздуха не может преодолеть силу притяжения Земли. Для этого их скорость должна быть не меньше 11,2 км

с .В существовании атмосферного давления можно удостовериться,

проведя следующие опыты. Возьмем разовый шприц, приведем поршень в самое нижнее положение и опустим иглу в воду. Начнем поднимать поршень, тогда и вода тоже будет подниматься за поршнем (рис. 35). По-

чему вода поднимается? Если пипетку опустить в воду и один раз на-давить на резинку, то в пипетку наберется вода. И если затем вынуть пипетку из воды, то вода из нее не будет выливаться. Поче-му вода не выливается, даже если она имеет вес?

Причиной этому – действие атмосферного давления. Если бы вода при подъеме поршня шприца не поднима-лась, то между поршнем и водой образовалась бы пустота. Пустота никакого действия на воду не оказывает. На воду в сосуде оказывает действие атмосферное давление, оно за-ставляет воду подниматься за поршнем. Вода из пипетки тоже не выливается из-за действия атмосферного давления.

Атмосферное давление впервые измерил итальянский ученый Торричелли (1608–1647). Стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, он наполнил ртутью. За-

Атмосферное давление. Опыт Торричелли

Рис. 35

Рис. 36


6464

тем, плотно закрыв другой конец трубки рукой, перевернул ее и опу-стил в чашку со ртутью. Под ртутью он открыл конец трубки, часть ртути при этом вылилась в чашку (рис. 36). Над ртутью в трубке соз-далось безвоздушное пространство, высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм (измерение проводилось от уровня ртути в чашке). Ртуть в трубке не выливается потому, что давление, оказываемое столбом ртути, уравновешивается атмосферным давлени-ем. Значит, атмосферное давление можно измерить давлением, оказы-ваемым столбом ртути в трубке. В настоящее время за нормальное ат-мосферное давление берут давление столба ртути высотой 760 мм при температуре 0°С. При объявлении прогноза погоды по радио и телеви-дению атмосферное давление дается в мм рт. ст. Используя формулу р = ρgh, можно выразить нормальное атмосферное давление в паска-лях: р = 13595,1 кг

м3 · 9,81 Н кг · 0,76 м ≈ 101360 Пa.

Торричелли обратил внимание на то, что высота столба ртути в трубке меняется при изменении погоды. Помимо этого, атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Было определено, что при небольших подъемах на каждые 12 м подъема давление умень-шается на 1 мм рт. ст.

Прибор, измеряющий атмосферное давление, называется бароме-тром. Что будет, если вместо ртути в опыте Торричелли взять дру-гую жидкость? Так как плотность других жидкостей намного меньше плотности ртути, высота столба жидкости будет большей. В водяном барометре высота столба жидкости будет больше 10 м.


65

Для измерения давлений, больших или меньших атмосферного, ис-пользуют манометры. Манометры бывают жидкостные и металличе-ские.

Простой жидкостный манометр состоит из U-образной трубки, на-половину заполненной жидкостью (рис. 37). Одна сторона трубки от-крытая, а вторая соединена с емкостью, где измеряется давление, ре-зиновым шлангом. Конец шланга имеет цилиндрическое основание, покрытое пленкой. Если слегка надавить на него, то уровень жидко-сти в коленах манометра изменится.

Основным элементом металлического манометра является согну-тая в дугу металлическая трубка 1, один конец которой закрыт (рис. 38). Второй конец трубки посредством крана 4 сообщается с сосу-дом, в котором измеряется давление. Когда открывают кран, давле-ние в трубке увеличивается, и она разгибается. Движение через ры-чаг (5) и зубчатое колесо 3 передается стрелке 2.

Наберите полстакана воды. Закройте стакан бумагой и, поддерживая бумагу рукой, переверните вверх дном. Вода из стакана не будет вы-ливаться.

1. Какие еще опыты доказывают существование атмосферного давления?2. Почему изменяется атмосферное давление?3. Как изменяется атмосферное давление с увеличением высоты?

ТЕМА 24

ЗАКОН АРХИМЕДА И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Еcли в воду бросить гвоздь или небольшой камень, они потонут. Но большое бревно, лодка и большой корабль держатся на воде. Что является причиной этому? Проведем следующий опыт.

При помощи динамометра взвесим предмет, который тонет в воде. Затем опустим предмет в сосуд с водой (рис. 39). Увидим, что показа-ние динамометра уменьшилось. Если предмет опустить в жидкость, плотность которой больше плотности воды, то показание динамоме-тра еще больше уменьшится.

Закон Архимеда и его использование



6666


12 H2.6 H

3.6 H3 H

8 H

Из проведенного опыта узнаем, что на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила. Тело будет держаться на пла-ву, если выталкивающая сила превышает его вес, или утонет, если выталкивающая сила меньше веса тела. Как определяется эта сила? Проведем следующий опыт. При помощи динамометра определим вес тела, плотность которого больше плотности воды. В сосуд нальем воду до сливного носика (рис. 40). Затем груз, подвешенный к дина-мометру, опустим в сосуд с водой. При этом излишек воды выльется в мензурку, которая находится на весах. Перед этим определяется вес мензурки. Взвесив мензурку с водой, определяют массу воды. Также определяется и объем воды в мензурке. Если теперь при помощи ли-нейки определить объем тела, то он будет равен объему вытесненной жидкости. Вес воды будет равен разности веса тела в воздухе Pвозд. и веса тела в воде Pвода. F = Pвозд.− Pвода.

Значит, выталкивающая сила будет равна весу вытесненной телом жидкости.

Эта закономерность была впервые определена опытным пу-тем древнегреческим ученым, физиком и математиком Архимедом (287–212 годы до нашей эры). Поэтому выталкивающая сила назы-вается силой Архимеда. Определение закона следующее.

67

Тело, полностью погруженное в жидкость или газ, вытесняет объем жидкости или газа, равный своему объему. На тело дей-ствует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме этого тела. В соответствии с этим архимедова сила равна:

FA = ρж · Vтела · g

ρж – плотность газа или жидкости, Vтела – объем тела, g = 9,81 Н кг .

Возникновение архимедовой силы можно объяснить через гидро-статическое давление.

Для простоты тело, погруженное в жидкость, возьмем в форме куба (рис. 41). Так как верхняя и нижняя части тела находятся на разных глуби-нах, то и гидростатическое давление, оказывае-мое на них, будет различным. Из рисунка видно, что h2 > h1. Поэтому разность давлений направле-на вверх: р = р2 – р1 = ρж g (h2 – h1). Учитывая поверх-ность тела S, получим FA = р · S = ρжVт · g.

Таким образом, можно найти условие плавания тел.1. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет

подниматься из жидкости, всплывать.2. Если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может на-

ходиться в равновесии в любом месте жидкости.3. Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело будет

опускаться на дно, тонуть.Архимедова сила проявляется и в газах, т.е. в воздухе. В этом

случае в формуле архимедовой силы вместо ρ жидкости ставит-ся ρ воздуха. Воздушные шары, аэростаты, дирижабли поднима-ются в воздух благодаря архимедовой силе (рис. 42). Внутри эти шары заполняются более легкими, чем воздух, газами – водоро-дом или гелием. При нормальном давлении вес 1 м3 водорода ра-вен 0,9 Н, а гелия – 1,8 Н. Значит, на воздушный шар объемом 1,3 м3, заполненный гелием, действует подъемная сила величиной

Закон Архимеда и его использование

Рис. 41


6868

13 Н, и подъемная сила воздушного шара составляет: 13 Н – 1,8 Н = 11,2 H. На сегодняшний день нижнюю часть воздушного шара делают открытой, и воздух греют специальным горючим (рис. 42). Большие суда плавают в морях и океанах благодаря архимедовой силе. Корпуса судов изготавливаются из стальных листов, а корпус лодки из деревянных досок. Зазоры между досками заклепывают, чтобы не было течи.

Глубина погружения судна в воду называется уровнем погруже-ния. Наибольший допустимый уровень погружения судна отмеча-ется на корпусе красной линией и называется ватерлинией (по-голландски «vater» – вода). Когда судно погружается до ватерли-нии, то вес вытесненной воды называется водоизмещением судна.

1. В какой воде суда поднимают больше груза – в пресной или соленой? Почему?

2. Расскажите, при каких условиях тела плавают.3. В какой воде человек не тонет?4. Ограничена ли высота подъема воздушных шаров?5. Яйцо в чистой воде тонет, но в соленой воде плавает. Объясните при-чину и проверьте на опыте.

• Легенда об Архимеде. Царь Сиракузы Гиерон заказал себе золотую корону. Проверить подлинность короны поручили

Архимеду. При этом напоминает ему, что проверка должна осущест-вляться без поломки частей короны. Для этого достаточно было срав-нить плотность короны с плотностью чистого золота. Масса измеря-ется на весах. Но как определить объем короны? После многих раз-думий Архимед отправляется в баню и опускается в водяную ванну. При этом он замечает как переливается вода из ванны и, крича «Эв-рика!», т.е. «Нашел», бежит в свою лабораторию. Найденный способ приведен на рис. 19 в 16 теме.

Рис. 42

69

ТЕМА 25

СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ТЕЛО,ДВИЖУЩЕЕСЯ В ЖИДКОСТИ И ГАЗЕ

Вы узнали, что в состоянии покоя жид-кости и газы оказывают давление на стен-ки сосуда. В природе и в быту жидкость бывает не только в состоянии покоя, но и в движении. Какие силы возникают в теку-щей по арыкам, каналам, рекам и водопро-водным трубам воде? Для изучения этого явления рассмотрим поверхность воды, те-кущей в арыке. В середине широкого, пол-новодного канала вода, в основном, течет равномерно по одной линии. В этом мож-но удостовериться, наблюдая за телами, плывущими в воде (рис. 43). Такое течение называется ламинарным. Вода в горной реке течет быстро. Если на-блюдать за телами, плывущими в этой реке, то можно увидеть, что течение образовывает водовороты (рис. 44). Такое течение называет-ся турбулентным. Значит, если жидкость течет по трубам, то за счет трения о стенки трубы слои жидкости текут с разной скоростью: в середине трубы – быстрее, у стенки – медленнее. При движении жид-кости, по сравнению с состоянием покоя, образуется дополнительное давление. Это давление называется динамическим давлением. Как зависит давление от скорости жидкости или газа?

Проведем следующий опыт. Возьмем два листа бумаги и будем держать их

параллельно друг другу. Затем подуем в проме-жуток между листами (рис. 45). Листы начнут

Силы, действующие на тело, движущееся в жидкости и газе

Рис. 43

Рис. 44

Рис. 45


7070

приближаться друг к другу. Причиной этому то, что воздух между листами пришел в дви-жение, и давление между ними уменьшилось. Давление с внешней стороны листа будет больше, чем с внутренней, и за счет этого по-явится сила, сдавливающая листы. Воздуш-ные змеи, которые вы запускаете весной, под-нимаются за счет появления разности давле-ний, за счет того, что скорость ветра разная в верхней и нижней частях воздушного змея, и возникает подъемная сила (рис. 46). Наблюда-лись неожиданные столкновения судов, иду-щих параллельными курсами. Это тоже объ-ясняется возникновением разности давления,

как между двумя листами бумаги, когда дуют между ними. Полет само-летов тоже возможен благодаря этому явлению. Он объясняется специ-альным устройством крыла самолета (рис. 47).

Встречный поток воздуха обтекает крыло снизу и сверху. Путь, пройденный воздушным потоком сверху крыла, длиннее, чем путь, пройденный потоком снизу. Поэтому скорость потока воздуха над крылом больше, чем скорость под крылом. Значит давление р1 в том месте, где скорость потока выше, меньше давления р2 под крылом, где скорость потока меньше. В результате появляется разность дав-лений p = p2 − p1, направленная снизу вверх. Если поток будет турбу-лентным, разность давлений будет больше. Это называется подъем-ной силой крыла.

Многие видели футбольные матчи по телевизору или на стадионе и, наверное, обратили внимание, что мяч, который подают с угловой подачи, при полете крутится, изменяет траекторию своего движения и попадает в ворота. Что заставляет мяч крутиться? Дело в том, что при угловой подаче футболист бьет не центру мяча, а немного сбоку. Такой удар заставляет мяч крутиться во время прямолинейного дви-жения. В итоге поток воздуха справа и слева от мяча изменяет свою скорость, в результате чего изменяется и давление воздуха с разных сторон, мяч изменяет свое направление и может попасть в ворота.

Рис. 46

Рис. 47

71

1. Дома сделайте воздушные змеи различной формы. Попро-буйте обосновать, какой воздушный змей имеет большую подъемную силу.

2. Во время футбольной игры обратите внимание на траекто-рию полета мяча с угловой подачи.

1. Как вы объясните понятие «динамическое давление жидкости»?2. Дайте определение ламинарному и турбулентному течению.3. Какой вид может иметь поверхность текущей воды, где вы живете?

ТЕМА 26

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О РАБОТЕ И ЭНЕРГИИУтром вы собираетесь в школу, ваши родители идут на работу. Вер-

нувшись из школы, вы помогаете родителям в домашней работе. Что мы понимаем под словом «работа»? В обыденной жизни под словами «делать работу» мы понимаем занятие трудом. В физике слова «рабо-та» и «труд» не всегда совпадают в значении.

Под механической работой понимают движение тела под дейст-вием приложенной к нему силы (рис. 48). Механическую работу обозначают буквой А. В этом случае формула расчета работы будет:

Работа = сила × перемещение, A = F · s

A – работа, F – сила, s – перемещение.

Единица работы [A] = 1Н · 1 м = 1 Джоуль. Сокращенно 1 Дж. Эта единица названа в честь английского ученого Дж. Джоуля (1818–1889).

Если приложенная к телу сила перпендикулярна направлению движения, то такая сила не выполняет работу. Например, погружен-ный на машину груз давит на нее. Машина, в свою очередь, переме-щает груз на определенное расстояние. Сила тяжести груза направ-лена перпендикулярно перемещению и поэтому не совершает работу. Зато направление силы тяги двигателя машины совпадает с переме-щением, и она выполняет работу (рис. 49).

Представление о работе и энергии


7272

Рис. 48 Рис. 49Из формулы работы следует: если на тело действует сила, но нет

перемещения тела, работа не выполняется. Даже если вы с сумкой, полной книг, долго ждете товарища, то и в этом случае вы не выпол-няете работу. Так как s = 0, то A = F · 0 = 0.

Как было сказано выше, надо уметь отличать труд от механической ра-боты. Преподавание урока учителем, лечение больного врачом: все это называется «заниматься трудом». Все ли тела могут выполнять работу?

Способность тел выполнять работу называется энергией.Чтобы понять это, рассмотрим сле-

дующее явление. На рис. 50 показано два положения молотка относительно гвоздя. В первом случае гвоздь практи-чески не войдет в доску из-за очень ма-ленького воздействия на него молотка. Во втором случае из-за большего воз-действия молотка гвоздь войдет в доску.

Значит, во втором положении способность молотка совершать ра-боту больше. Энергия, как и работа, измеряется в джоулях.

Примеры решения задач.Задача 1. Под действием горизонтально направленной силы, рав-

ной 50 Н, тележка переместилась на 20 м. Чему равна совершенная работа?

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :F = 50 Нs = 20 м

A = F · s A = 50 Н · 20 м = 1000 Дж.

Требуется найтиA = ? Ответ: A = 1000 Дж.

Рис. 50

73

Подумайте. Где выполняется механическая работа?

Подумайте. Где выполняется механическая работа?

Рис. 51Упражнение 6.1. Какая работа совершается при подъеме гранитной плиты массой

1250 кг на высоту 20 м? (Ответ: 245 кДж).2.* На тело действуют две силы, одна – по направлению движения

и равна 20 Н, а другая – перпендикулярно направлению движения и равна 10 Н. При этом тело переместилось на 10 м. Какая работа при этом совершена? (Ответ: 200 Дж).

3. Мальчик массой 50 кг поднялся на четвертый этаж дома, высо-та каждого этажа которого 2,5 м. Какую работу выполнил мальчик? g ≈ 10 Н

кг . (Ответ: 3750 Дж).

Представление о работе и энергии


7474

4.* Вес тележки с грузом равен 100 кг. Под действием силы 500 Н тележ ку переместили на 10 м. Чему равна выполненная работа? (От-вет: 5000 Дж).

1. Подсчитайте, какую механическую работу вы совершаете по пути из дома до школы. Дорогу считайте горизонтальной и ровной.2. Поднимитесь на лестницу или на стол. Подсчитайте выполнен-ную при этом механическую работу и запишите в тетрадь.

ТЕМА 27

ВИДЫ ЭНЕРГИИ. МОЩНОСТЬ

На примере молотка и гвоздя вы видели, что чем выше поднимают моло-ток при ударе по гвоздю, тем глубже гвоздь входит в доску. Значит свойство молотка совершать работу, т.е. его энергия, зависит от положения молотка.

Потенциальной энергией называется энергия, которая определя-ется взаимным положением взаимодействующих тел.

В приведенном примере выполненная работа равна А=P ⋅ h. Эта ра-бота выполняется за счет потенциальной энергии Ер=Р ⋅ h или

Ep = mgh

В заводных часах, закручивая пружину, получают потенциальную энергию. Затем пружина, постепенно раскручиваясь, приводит в движе-ние механизм часов, т.е. стрелки, совершая механическую работу. На ре-ках строят плотины, тем самым поднимают уровень воды в реке. Затем вода падает по специальным трубам и вращает лопасти турбины.

Тела, кроме потенциальной, еще могут обладать и кинетической энергией.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, на-зывается кинетической энергией.

75

Например, вода, текущая в арыке, вращает установленное в нем колесо. Ветер тоже вращает пропеллер.

Тела одновременно могут обладать и потен-циальной, и кинетической энергией. Например, поднятое над поверхностью Земли тело (положе-ние I) обладает только потенциальной энергией (рис. 52). Если отпустить тело, то при падении высота уменьшается, но начинает увеличиваться скорость движения. В положении II тело находит-ся на высоте h1 и обладает потенциальной энергией. Имея скорость, тело обладает также и кинетической энергией.

В природе существует множество видов энергии. Это тепловая энергия, электрическая энергия, ядерная энергия, солнечная энер-гия и т.д. Для движения автомобиля, самолета, больших судов в их двигателях создается тепловая энергия путем сжигания таких нефте-продуктов, как бензин, керосин, дизельное топливо. Затем тепловая энергия превращается в механическую работу. Точно таким образом в электрическую энергию превращается механическая энергия воды на электростанциях или тепловая энергия, полученная путем сжига-ния топлива. В промышленности, в службе быта электрическая энер-гия превращается в другой вид энергии или совершает работу.

Для поддержания жизнедеятельности люди и животные тоже рас-ходуют энергию. Эту энергию они получают от употребляемой пищи. Каждый день взрослому человеку необходимо 15 000 000 Дж, а школь-нику (10–15 лет) – 12 000 000 Дж энергии.

На совершение одной и той же работы тратится иногда разное время. Например, для переноса 10000 кирпичей на 300 м два человека могут потратить целый день, а на машине эту работу можно выполнить за не-сколько минут. Чтобы показать, быстро или медленно совершается рабо-та, введем понятие мощности.

Под мощностью понимается работа, совершенная в единицу вре-мени (за 1 секунду).

Если мощность обозначить буквой N, то, чтобы найти мощность, надо работу поделить на время, в течение которого данная работа была совершена.

Виды энергии. Мощность

Рис. 52


7676

Мощность = работа время ,

N – мощность, A – работа, t – время.

За единицу мощности принят Ватт (Вт).1 Вт = 1 Дж

с .Эта единица названа именем английского механика Дж. Уатта (Uatt),

первым создавшего паровую машину.В повседневной жизни мощность двигателя автомобилей измеряют

единицей, называемой лошадиная сила (л. с.). Этим мощность двигате-ля машины сравнивается с лошадиной силой.

1 л.с. = 735,5 Вт.Мощность

человека

70–80 Вт

автомобиля «Нексия»

75 кВт

тепловозаТЕ 10 L

2200 кВт

самолетаИл-62

30600 кВт

ракетоносителя«Энергия»

125 000 000 кВт

1. Зная мощность двигателя машины, как можно рассчитать работу, выполняемую им в определенное время?

2. Какие вы знаете установки, работающие на солнечной энергии?3. Приведите примеры мощности из повседневной жизни.

Упражнение 7.1. По техническому паспорту узнайте потребляемую мощность имею-

щихся дома пылесоса, холодильника, телевизора и других аппаратов. В зависимости от времени пользования рассчитайте выполненную работу.

2. Мощность вентилятора равна 35 Вт. Какую работу выполнит он за 10 мин? (Ответ: 21 кДж).

3. Ученик, участвовавший в забеге, развил мощность 700 Вт. Если 100 м он пробежал за 15 сек, чему равна выполненная работа? (От-вет: 10500 Дж).

77

4. Мощность двигателя автомобиля «Эпика», изготовленного в Узбекистане, равна 156 л.с. Какая выполняется работа при движении автомобиля в течение 1 часа?

5*. Во сколько раз потенциальная энергия самолета, летающего на высоте 10 км со скоростью 360 км/час. больше, чем его кинетичес кая энергия (Ответ: 20).

• До принятия Международной системы единиц размеры тел измеряли, сравнивая их с размером человеческого тела. На-

пример, единица длины, называемая в Средней Азии гяз, определя-ется тремя методами: 1) расстояние от кончиков пальцев вытянутой руки до плеча; 2) расстояние от кончика пальцев вытянутой в сто-рону руки до второго плеча; 1 гяз (Хорезм, при измерении земельных участков) ≈ 106–107 см; 1 гяз (Хорезм, при измерении тканей) = 61 см; 1 гяз (Бухара, при строительстве) ≈ 79 см; 1 гяз (Cамарканд, Ташкент, Фергана) ≈ 68,6–70,7 см.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ II

1. Единица измерения какой величины из нижеприведенных счи тается основной физической величиной?A) Плотность. B) Объем. C) Сила. D) Время.

2. Скольким см3 равен объем одного литра воды?A) 500. B) 100. C) 1000. D) 2000.

3. Закончите предложение. «Для определения плотности вещества необхо-димо...»A) ... разделить массу на объем. B) ... умножить массу на объем.C) ... сложить массу и объем. D) ... вычесть массу из объема.

4. Когда тело опустили в мензурку с водой, часть его погрузилась. При этом уровень воды поднялся с отметки 20 см3 до отметки 120 см3. Чему равна масса тела?A) 120 г. B) 100 г. C) 40 г. D) 20 г.

Контрольные вопросы к главе II


7878

5. Автомобиль с пассажирами ехал 2 часа и стоял 15 мин., затем 45 мин. был в движении. Автомобиль проехал 300 км. Чему приблизительно равна его средняя скорость?A) 100 км/ч. B) Больше 100 км/ч.C) Меньше 100 км/ч. E) 30 м/с.

6. Скольким граммам равны 15 кг?A) 150. B) 1500. C) 15000. D) 150000.

7. Площадь маленького поршня гидравлического пресса равна 10 см2, большого поршня 100 см2. Если на маленький поршень действует сила 10 Н, какая сила будет на большом поршне?A) 1 Н. B) 10 Н. C) 100 Н. D) 1000 Н.

8. В сосуды 1, 2, 3, 4 налита вода. В каком ответе указано неверно давле-ние воды на дно сосуда? h – высота жидкости; S – площадь.

A) p1 = p4. B) p2 = p3. C) p1 = p2. D) p1 > p3.

9. Сравните давление воды в сосуде на различные точки.A) p1 = p2 = p3 = p4.B) p3>p2 = p4>p1.C) p1>p2 = p4>p3.D) p3>p2>p4>p1.

10. Чему равна масса и объем тела, приведенного на рисунке. Плотность 1500 кг/м3.A) 75000 кг; 50 м3. B) 75000 кг; 100 м3.C) 75000 кг; 30 м3. D) 45000 кг; 30 м3.

11. Барометр на вершине Ташкентской телевышки показывает 728 мм рт. ст. Чему равна высота телевышки? Давление на уровне земли возьмите равным 760 мм рт. ст.A) 384 м. B) 320 м. C) 350 м. D) 186 м.

79

12. Энергия какого вида легко превращается в энергию другого вида или работу?A) Электрическая энергия. B) Механическая энергия.C) Тепловая энергия. D) Световая энергия.

13. Мощность двигателя автомобиля «Нексия» равна 75 лошадиным силам. Выразите это в ваттах.A) ≈75000. B) ≈55162. C) ≈100154. D) ≈65484.

14. В каком из указанных случаев не совершается механическая работа?1. Ученик выполняет домашнюю работу.2. Трактор пашет землю.3. Водитель управляет автомобилем.A) Только 1. B) Только 2. C) Только 3. D) 1 и 3.

15. Что вы понимаете под точностью измерения прибора?A) Самую большую величину, определяемую прибором.B) Самую маленькую величину, измеряемую прибором.C) Среднее значение измеряемых величин.D) Определение дробей при измерении.

16. Укажите единицу силы.A) кг. B) м. C) Н. D) Дж.

17. Беруни в своем труде «Индия» утверждал: «Опасность в этих местах (места впадения рек в море) для судов заключается во вкусе воды, так как вкусная (пресная) вода хуже поднимает тела, чем соленая».О каком законе здесь идет речь?A) Закон Паскаля. B) Закон Ньютона.C) Закон Архимеда. D) Закон Беруни.

18. Закончите предложение. «Изменение с течением времени положения тела относительно других тел называется...A) ... траектория. B) ... путь.C) ... механическим движением. D) ... материальная точка.

19. Укажите формулу силы АрхимедаA) FA = ρжVт · g. B) F = mg. C) . D) F = pS.

Контрольные вопросы к главе II


8080

20. При какой температуре воздуха определяется нормальное атмосферное давление?A) 20° C. B) 10° C. C) 0° C. D) 36° C.

21. Мощность двигателя автомобиля «Матиз» равна 38246 Вт. Рассчитайте ко-личество лошадиных сил.A) 75. B) 52. C) ≈ 38. D) 80.

22. Какое давление (Па) оказывает на пол ковер весом 4 кг и площадью 8 м2?A) 50. B) 5. C) 2. D) 0,5.

23. Мощность вентилятора, установленного в комнате, 36 Вт. Чему равна работа в Дж, выполняемая им в течение 40 с.A) 1440. B) 720. C) 360. D) 180.

24. Рассчитайте среднюю скорость автомобиля «Нексия» (м/с), если за 15 с он прошел путь 225 м.A) 30. B) 15. C) 25. D) 10.

25. Что вы понимаете под термином «водоизмещение»?A) Допустимую границу погружения.B) Грузоподъемность судна.C) Количество воды, выдавливае мое при погружении судна на уровне

ватерлинии.D) Количество воды, выдавливаемое судном при полном погружении.


В нижеприведенной таблице вы ознакомитесь с кратким содержа-нием тем, изложенных в главе II.

Масса Физическая величина, определяющая меру инертности и свойство тел притягиваться. Понятие массы впервые ввел И. Ньютон (1687 г.). Единица измерения килограмм является основной единицей систе-мы СИ. Эталон в форме цилиндра, высота и диаметр которого рав-ны 39 см, изготовлен из платиново-иридиевого сплава в 1799 г.

Плотность Физическая величина, численно равная отношению массы тела к его объему. . Единица плотности кг м3 .

81

Сила Причина, изменяющая скорость или форму тел при их взаимодей-ствии. Единица силы – ньютон (Н).

Механи-ческое движение

Изменение местоположения тела в пространстве относительно дру-гих тел. Виды механического движения: поступательное, враща-тельное, колебательное. Если тело за равные промежутки времени проходит по прямой линии одинаковые пути, то такое движение называется равномерным прямолинейным. Если оно проходит нео-динаковые пути, то такое движение называется неравномерным.

Скорость Путь, пройденный за единицу времени.; s – пройденный путь; t – время.

Единица скорости метр секунда = ( м

с ).

Траектория Воображаемая линия, оставленная телом в процессе движения в про-странстве.

Материаль-ная точка

Физическое тело, размерами и формой которого можно пренебречь в данной задаче.

Динамометр Прибор для измерения силы. По принципу работы может быть ме-ханический, гидравлический, электрический.

Тело отсчета Неподвижное тело относительно рассматриваемого движения. Дви-жение других тел изучается относительно неподвижного тела.

Весы Прибор для определения массы тела. По принципу работы могут быть рычажные, пружинные, гидростатические и др.

Давление Величина, равная отношению силы, действующей перпендикуляр-но поверхности, к площади этой поверхности: . Единица в си-стеме СИ – Паскаль (Пa). Также измеряется в мм рт.ст., нормальное атмосферное давление 1 aтм. = 760 мм рт. ст. = 101325 Па.

Сообщаю-щиеся сосуды

Сосуды, соединенные в нижней части трубкой. В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкос-ти устанавливаются на одном уровне. Примером может служить водопровод, чайник.

Закон Паскаля

Давление, производимое на жидкость или газ, передается без из-менения в каждую точку объема жидкости или газа. На основании закона Паскаля работают гидравлические прессы. ; S1 и

S2 – площади большого и маленького поршня. F2 и F1 – силы, дей-ствующие на большой и маленький поршни.


Заключительная беседа


8282

Mанометр Прибор для измерения давления в газах и жидкостях.Барометр Прибор для измерения атмосферного давления. В жидкостных ба-

рометрах давление столбика жидкости уравнивается с атмосфер-ным давлением.

Атмосфер-ное давле-ние

Давление, оказываемое на земную поверхность и тела, находящие-ся на ней, окружающим Землю воздухом. Измеряется от поверхно-сти моря. Давление на уровне моря равно 101360 Па или 760 мм рт.ст. С увеличением высоты давление уменьшается.

Сила Архимеда

Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость или газ тело. FA= ρжVт g; FA – сила Архимеда; ρж – плотность жидкости;Vт – объем тела, погруженного в жидкость; g=9,81 Н

кг .

Механи-ческая работа

Величина, определяемая произведением постоянной силы F, дей-ствующей на тело, на перемещение s по направлению силы. A = F · s. Единица работы джоуль (Дж).

Энергия Величина, характеризующая свойство тел совершать работу. Виды энергий: механическая, тепловая, электрическая, световая, атомная. Единица энергии джоуль (Дж). Механическая энергия проявляется в двух видах: потенциальная и кинетическая; .

Мощность Физическая величина, измеряемая отношением выполненной рабо-ты к промежутку времени, в течение которого данная работа была совершена. . Единица мощности ватт (Вт).

Таблица 2

№ Скорость км/час № Скорость км/час1 Акула 40 13 Лось 472 Волк 55–60 14 Конь 463 Воробей 35 15 Медведь 404 Газель 95 16 Рыба-меч 805 Ягуар 112 17 Муха 186 Голубь 60–70 18 Пчела 257 Жираф 51 19 Африканский слон 408 Заяц 60 20 Ястреб 64–779 Кит 38–40 21 Стрекоза 3610 Ласточка 54–63 22 Африканский страус 8011 Кенгуру 48 23 Майский жук 1112 Лев 65 24 Черепаха 0,5

Продолжение

– центр тяжести тела и его определение;

– виды равновесия;

– момент силы, рычаг;

– простые механизмы: блок, наклонная плоскость, винт, клин и ворот;

– работа, выполняемаяпростыми механизмами;

– коэффициент полезного дейст вия механизмов;

– ознакомление с «золотым правилом механики».

IIIГЛАВА

РАВНОВЕСИЕ ТЕЛ.ПРОСТЫЕМЕХАНИЗМЫ

Глава III. Равновесие тел. Простые механизмы

8484


С незапамятных времен человек для облегчения своего труда ис-пользует различные приспособления. При строительных работах для передвижения и подъема тяжелых опор или полированных мрамор-ных плит применяли различные механические приспособления. Три тысячи лет назад в древнем Египте при строительстве пирамид тяже-лые плиты были сдвинуты и подняты на достаточную высоту с помо-щью рычагов. В большинстве случаев вместо прямого поднятия груз перекатывали или перетягивали, используя наклонную плоскость. Минареты, медресы и дворцы в городах Самарканд и Бухара были построены с помощью блоков, воротов.

В быту, в металлорежущих, штампующих станках, подъемных кранах, землеройных машинах имеются простые механизмы. Такие механизмы встречаются в современной аудио- и видеоаппаратуре, сложных автоматах. После ознакомления с работой простых механиз-мов, вы легко усвоите устройство сложных машин.

ТЕМА 28

ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ ТЕЛА И ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЕ. ВИДЫ РАВНОВЕСИЯ

Проведем следующий опыт. Возьмем лист картона и в произ-вольной точке при помощи иголки проденем нитку. Два кон-ца нити закрепим на штативе. Лист займет положение, пока-

занное на рис. 53. Если теперь немного повернуть его вокруг оси и отпустить, лист вернется в первоначальное положение.

Проведем нить через центр листа (рис. 54). Теперь, сколько бы мы его не крутили, лист останется в своем первоначальном положении. Эта точка называется центром тяжести тела. Масса тела как бы со-средоточивается в этой точке. Проведенные опыты показывают, что центр тяжести тел различной конфигурации бывает следующим:

85


У однородных тел (например: шар, сфера, окружность и им подобные) центр тяжести совпадает с геометрическим цент-ром (рис. 55).

Шар Четырехугольник Параллелограмм Кольцо КубРис. 55

Если плоские тела имеют произвольную форму, то центр тяжести таких тел опреде-ляют методом подвешивания в двух точ-ках. Здесь центр тяжести находится на пе-ресечении вертикальных линий, проведен-ных через точки А и В (рис. 56).

Если тела подвесить на оси, прошедшей через центр тяжести, то эти тела сколь угод-но долго будут находиться в положении рав-новесия. Сумма всех сил, действующих на тело, находящееся в равно-весии, равна нулю.

Равновесие называется устойчивым, если на выведенное из по-ложения равновесия тело действуют силы, возвращающие его в первоначальное положение (рис. 57, а).

Равновесие называется неустойчивым, если на выведенное из положения равновесия тело действуют силы, еще больше отдаляю-щие его от положения равновесия (рис. 57, б).

Центр тяжести тела и его определение. Виды равновесия

Рис. 56


8686

a) б) в)

Рис. 57

Равновесие называется безразличным, если на выведенное из положения равновесия тело не действует никакая сила, изменяю-щая его состояние (рис. 57, в).

Проведем такой опыт. Возьмем учебник физики и располо-жим под ним линейку. Затем за один конец медленно бу-дем поднимать линейку (рис. 58 а, б). После достижения

опре деленного угла между столом и линейкой, книга опрокинется. Значит состояние равновесия тела зависит и от опоры.

Тело, имеющее площадь опоры, опро-кинется, если вертикальная прямая, проведенная из центра тяжести, вый-дет за площадь опоры (рис. 58, в).

Следовательно, чем больше площадь опоры, тем более устойчивое положе-ние имеет тело.

1. Как вы объясните понятие «центр тяжести»?2. Как на практике определяется центр тяжести тел?3. Имеются два тела прямоугольной формы, центр тяжести у одного тела выше, чем у другого. Какое из этих тел имеет более устойчивое положение?

4. Облокотитесь левым плечом на стенку. Теперь поднимите левую ногу. Сможете ли вы остаться в этом положении? Почему?

5. Почему при ходьбе машут руками?

a) б) в)

Рис. 58

F F F

87

ТЕМА 29

МОМЕНТ СИЛЫ. РЫЧАГ, РАВНОВЕСИЕ СИЛ НА РЫЧАГЕ

Проведем следующий опыт. Возьмем колесо и про-ведем неподвижную ось. На ось колеса приложим силу, как показано на рис. 59. Колесо останется неподвижным. Теперь приложим эту силу F в точке 2. Колесо придет в движение. Чем дальше от оси вращения мы приложим силу F, тем сильнее колесо будет вращаться.

Следовательно, движение тел, имеющих ось вращения, за-висит не только от величины приложенной силы, но и еще от того, насколько далеко от оси вращения приложе-на эта сила.

Кратчайшее расстояние от оси вращения до точки приложения силы называется плечом силы. В этом случае считается: направле-ние силы и плечо взаимно перпендикулярны. Так как движение тела с осью вращения зависит от приложенной силы F и плеча l, введем физическую величину, называемую моментом силы.

M = F · l

Единица измерения момента силы M = 1 Н · м. В повседневной жиз-ни вы видели, что для передвижения тяжелого камня или груза ис-пользуют лом (рис. 60). При этом на один конец действуют силой F1, а на втором конце получают силу F2. Сила F2 больше силы F1 в не-сколько раз. Следовательно, при помо-щи этого устройства можно получить выигрыш в силе.

Твердое тело, которое может вра-щаться вокруг неподвижной опоры, называется рычагом. На рис. 60 вра-щение происходит вокруг точки О.

Момент силы. Рычаг, равновесие сил на рычаге

Рис. 59

2

Рис. 60


8888


F2

F1

Рассмотрим следующий опыт. На штативе установим толстую ли-нейку. Линейка вращается вокруг оси O. На правой стороне рычага в точке А, расположенной на расстоянии шести единиц от оси О, под-весим один груз. На левой стороне в точке В, расположенной на рас-стоянии трех единиц от оси О, B подвесим еще один груз, при этом равновесие не наблюдается. Чтобы достичь равновесия, надо в точке В подвесить два груза. Если в точку А подвесим второй груз, чтобы сохранить равновесия, в точку В надо подвесить четыре груза (рис. 61). Следовательно, между силами, действующими на рычаг, и плечом сил справедливо следующее отношение:

l1 – длина OA, плечо силы F1.l2 – длина OB, плечо силы F2.Правило равновесия рычага было установлено Архимедом.F1 · l1 = F2 · l2 получим:

M1 = M2

Это условие равновесия тел с осью вращения.Из наблюдаемого опыта M1 – момент силы, вращающей рычаг по

часовой стрелке, M2 – момент силы, вращающей рычаг против часо-вой стрелки.

Рычаги широко используются в повседневной жизни и технике.Например, рассмотрим ножницы, здесь сила руки F1 прикладывает-

ся к ручке, а сила F2 прикладывается к материалу. Сила F2 больше

89

силы F1, так как расположена ближе к оси вращения. На этом прин-ципе работают гвоздодер, ножницы по металлу, рассмотренные выше рычажные весы, являющиеся равноплечными рычагами (рис. 62). Если весы сделать с плечами разной длины, то можно маленькими гирями взвесить большие грузы.

В строении людей и животных тоже видим этот принцип. Руки и ноги с мускулами образуют рычаги.

1. Гвоздь, забитый в доску, очень трудно вытащить рукой, но очень лег-ко с помощью гвоздодера. Почему?

2. Назовите механизмы, в которых используется рычаг?3. На каких весах можно взвесить машины с грузом?

ТЕМА 30

ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ: ПРИМЕНЕНИЕ БЛОКА, НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ, ВИНТА, КЛИНА И ВОРОТА

В процессе труда человек больше опирается не на свою силу, а на свою изобретательность. С древности люди при передвижении тяжелых грузов пользовались механизмами. При постройке величественных зданий в Бухаре и Самарканде пользовались воротом, наклонной пло-скостью и блоками.

Блок. Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме, по желобу блока пропускают веревку, трос или цепь. На один конец веревки подвешивают груз, за другой тянут. Неподвиж-ным блоком называют такой блок, который при подъеме груза оста-ется неподвижным (рис. 63-1). Блок, который поднимается и опуска-ется вместе с грузом, называется подвижным блоком (рис. 63-2). У неподвижного блока плечо силы для груза равно АО, а плечо силы F равно ОВ (рис. 64, а). Так как OA = OB, сила F равна тяжести груза. Поэтому неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но позволяет менять направление силы.

У подвижного блока ось вращения совпадает с точкой О (рис. 64, б). В соответствии с этим плечо для груза равно ОА, а плечо силы А рав-но ОВ.

Простые механизмы: применение блока, наклонной плоскости, винта, клина и ворота


9090

Так как ОА = R, ОВ = 2R (R – радиус ко-леса), то F · 2R = mg · R. Отсюда:

.

Таким образом, подвижный блок даст выигрыш в силе в 2 раза. Система, состоящая из нескольких подвижных и неподвижных бло-ков, называется полиспастом. Если полиспаст состоит из подвижных блоков, то такая система дает выигрыш в силе в 2n раз.

Наклонная плоскость. Для того чтобы погрузить бочку на маши-ну, используют наклонную плоскость. Здесь сила F составляет часть силы тяжести:

Рис. 65

Рис. 63

a) б)Рис. 64

91

Винт. Для замены проколотого баллона у машин используется винтовое подъемное устройство, на-зываемое домкратом. Из рис. 66 нетрудно понять принцип его работы. В домашних мясорубках, в ти-сках тоже используют винт.

Клин. Говорят, что в некоторых районах на-шей страны, чтобы испытать жениха, его заставля-ли колоть дрова. В этих случаях используют клин. Клин – треугольной формы тело, его устанавливают на пень, как показано на рис. 67.

Ворот. Этим простым механизмом часто поль-зуются для подъема воды из колодца (рис. 68). Если радиус вала, на который наматывается веревка, ра-вен r, а рукоятки ворота R, то устройство дает выи-грыш в силе в раза.

Усовершенствованный вариант ворота называется лебедкой (рис. 69), там два ворота взаимосвязаны. Первый состоит из зубчатого колеса маленького радиуса и ворота. Эта система дает выигрыш в силе в

раза. Второй состоит из зубчатого колеса большого радиуса и вала, на который наматывается веревка (трос). Эта система дает выигрыш в силе в раза. Общий выигрыш в силе, который дает лебедка, равен:


Простые механизмы: применение блока, наклонной плоскости, винта, клина и ворота

Рис. 66

Рис. 67


9292

n =

1. Возьмите линейку, установите посередине опору и приве-дите в равновесие. Справа на расстоянии 5 см от опоры поло-

жите одну монету. Слева от опоры положите две монеты на таком расстоянии, чтобы линейка оставалась в равновесии.

2. Рассмотрите устройство имеющихся в доме клещей, ножниц, прищепок. Найдите их оси вращения и плечи. Подсчитайте, какой выигрыш в силе они дают.

1. Какие простые механизмы вы еще знаете?2. С какой целью можно использовать лебедку?3. Какими простыми механизмами пользуются в поле и дома?4. Можно ли увеличить силу при использовании механизмов?5. Относятся ли подвижный и неподвижный блоки к рычагам?

ТЕМА 31

РАВЕНСТВО РАБОТЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕХАНИЗМОВ

Все механизмы, рассмотренные выше, используются для выполне-ния работы. Мы говорили, что механизмы дают выигрыш в силе. Ин-тересно, которые из них дают выигрыш в работе?

Рассмотрим это на примере наклонной плоскости (рис. 70). Было показано, что при подъеме тела по наклонной плоскости . Здесь для подъема тела необходима маленькая сила, но при этом тело проходит больший путь, так как s больше h.

F1 · s = F2 · h

93

Рис. 70

Рис. 71

Отсюда вытекает, что по какому бы пути ни поднимался груз, выполняется одна и та же работа. Значит, наклонная плоскость не дает выигрыша в работе. Может, рычаг даст выигрыш в работе? Из рисунка 70 видно, что при перемеще-нии груза, лежащего на маленьком пле-че s2, сила F1, приложенная к большому плечу, должна пройти путь s1. Значит, и в случае с рычагом выигрыш в силе до-стигается путем проигрыша в пути. В

этом случае . Для выполненной

работы F1s1 = F2s2 или A1 = A2. Рычаг, как и другие механизмы, не дает выигрыша в работе. Существует легенда, что Архимед, восхищенный открытием правила рычага, воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю». Теоре-тически можно при помощи рычага с очень длинным плечом соз-дать силу, равную весу Земли. Для подъема Земли всего на 1 см длинное плечо рычага должно было бы опи-сать дугу огромной длины, для перемеще-ния длинного конца рычага по этому пути со скоростью 1 м/c Архимеду потребовались бы миллионы лет.

Точно таким путем можно доказать, что подвижный блок тоже не дает выигрыша в ра-боте. Здесь, чтобы поднять груз на высоту, не-обходимо конец веревки переместить на высоту 2h (рис. 72).

Получая выигрыш в силе в 2 раза, проигры-вают 2 раза в расстоянии, в результате подвиж-ный блок тоже не дает выигрыша в работе.

Равенство работы при использовании механизмов

Рис. 72


9494

Пример решения задач.Задача 1. Для подъема груза весом 100 кг на 10 м используется

наклонная плоскость. Если приложенная сила равна 245 Н, то какой длины должна быть наклонная плоскость?

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :m = 100 кгh = 10 мF1 = 245 Нg = 9,81 Н

кг

F1 · s = F2 · h,отсюда

F2 = mg.

F2 = 100 кг · 9,8 Н кг =980 Н.

· 10 м = 4 · 10 м = 40 м.

Требуется найтиs = ? Ответ: s = 40 м.

1. Попробуйте доказать равенство работы, выполненной при помощи ворота.2. Докажите правильность закона равенства работ гидравли-ческого пресса.

1. Выполняется ли работа при забивании клина в пень?2. Можете ли вы нарисовать блок, дающий выигрыш в пути?3. Как можно использовать подвижный блок, чтобы получить выигрыш в пути?

95

ТЕМА 32

ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО МЕХАНИКИ. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗМОВ

Вы узнали, что простые механизмы не дают выигрыша в работе. Если рассмотреть это в широком смысле, то можно прийти к выводу, «что любой механизм во сколько раз выигрывает в силе, во столько раз проигрывает в расстоянии». Это правило назвали «золотым правилом механики».

В предыдущей теме при подъеме какого-либо груза на определен-ную высоту мы не учитывали вес механизмов, возникающие в них трения. Если учесть все это, то для подъема груза массой m на вы-соту h выполняемая работа Азат. будет намного больше работы Апол., называемой полезной работой. Азат. – полная затраченная работа. Азат. = Апол. + Aдоп., здесь Адоп. – дополнительная работа, необходимая для того, чтобы преодолеть трение, подъем самих механизмов и др.

Отношение полезной работы (Апол.) к полной работе (Азат.) назы-вается коэффициентом полезного действия механизма.

η = Апол.

Азат.

η – коэффициент полезного действия (КПД).КПД обычно выражают в процентах:

η = Апол.

Азат.· 100%

КПД любого механизма меньше 100% (см. таблицу 3).Таблица 3

Подвижный или неподвижный блок 94–98%

Ручная лебедка 80%

Винтовой домкрат 30–40%

Рычажно-винтовой домкрат 95–97%

Золотое правило механики. Коэффициент полезного действия механизмов


9696

Чтобы повысить КПД, уменьшают вес механизмов, трение и т.д., совершенствуют конструкции.

Возьмем дощечку с крючком и с помощью динамометра опре-делим вес Р. Медленно подни-

мите динамометр с дощечкой. При по-мощи стола или линейки создайте на-клонную плоскость. Равномерно пере -мещая дощечку по наклонной плоско-сти, запишите показания динамометра (рис. 73). Измерьте высоту h и длину s наклонной плоскости. Из получен-ных результатов рассчитайте КПД наклонной плоскости по формуле

· 100%.

1. Докажите «золотое правило механики» на примере ворота.2. Почему простые механизмы не дают выигрыша в работе?3. Как изменится КПД наклонной плоскости, если увеличить ее длину?

Упражнение 8.1. Длинное плечо рычага равно 6 м, а короткое 2 м. Если на длин-

ное плечо подействовать силой 10 Н, какой тяжести тело можно под-нять концом короткого плеча? (Ответ: 30 Н).

2. При помощи неподвижного блока мальчик поднимает груз вверх. Если вес мальчика равен 50 кг, каков максимальный вес груза, который может поднять мальчик при помощи блока? g ≈ 10 Н

кг . (Ответ: 500 Н). Ответ обоснуйте.

3. При подъеме тела по наклонной плоскости совершили работу 20 Дж. При этом использовали механизм с КПД, равным 80%. Найдите полезную работу. (Ответ: 16 Дж).

4. Прямоугольное тело имеет длину 6 см, ширину 8 см. На каком удалении будет центр тяжести, если отсчет вести из произвольного угла?

5*. Из колодца при помощи ведра поднимается вода. Объем ведра 10 л. Радиус вала, на который наматывается трос, 10 см, радиус пово-

Рис. 73

FP

97

рота рукоятки 50 см. С какой силой надо подействовать на рукоятку, чтобы поднять воду? g ≈ 10 Н

кг . (Ответ: 20 Н).6. Под действием силы 15 Н тело поднимают по наклонной плос-

кости. Найти КПД наклонной плоскости, если вес тела 16 Н, высота наклонной плоскости 5 м, длина 6,4 м. (Ответ: 83,3%).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ III

1. Как называется механическое приспособление, изменяющее величину силы или ее направление?A) Рычагом. B) Подвижным блоком.C) Неподвижным блоком. D) Простым механизмом.

2. В каких единицах измеряется момент силы.A) кг. B) Н. C) Н · с. D) Н · м.

3. Укажите формулу правила моментов.

A) F1l1 = F2 · l2. B) M = F · l. C) F/m. D) .

4. В чем дает выигрыш неподвижный блок?A) В силе. B) В пути. C) В работе.D) Ни в одной из приведенных в пунктах A–D величин.

5. Как определить коэффициент полезного действия механизма?A) Полезную работу надо умножить на полную работу.B) Полезную работу надо разделить на полную работу.C) Надо сложить полезную и полную работу.D) Из полной работы надо вычесть полезную работу.

6. В чем состоит «золотое правило механики»?A) Простые механизмы дают выигрыш только в силе.B) Простые механизмы дают выигрыш в силе и в пути.C) Простые механизмы дают выигрыш только в пути.D) Простые механизмы дают выигрыш в силе или в пути.

Контрольные вопросы к главе III



9898

7. Кто нашел правило рычага?A) Герон. B) Аристотель. C) Архимед. D) Ньютон.

8. Каким будет отношение между F и P в приведенной системе блоков?

Р – вес телаР

F

A) P = 4F.B) P = F.C) P = 2F.D) P = F.

9. В приведенной системе вес тела равен 200 Н. Найдите силу F.A) 50 H.B) 100 H.C) 150 H.D) 200 H.

10. От чего зависит сила F, необходимая для вращения ворота?

FR

Pr

1) От r.2) От R.3) От P.A) 1. B) 2. C) 3.D) 1 и 2. E) 1,2 и 3.

11. В чем дает выигрыш подвижный блок?A) В силе. B) В пути. C) В работе. D) Во времени.

12. Тело массой 2 кг поднимают по наклонной плоскости под действием силы 5 Н. Если высота наклонной плоскости равна 4 м, чему будет рав-на ее длина?A) 4 м. B) 8 м. C) 12 м. D) 16 м.

13. Если груз в приведенной системе поднимают на высоту 1 м, на сколько метров поднимется конец нити, куда приложена сила F?

F

P

A) 1.B) 2.C) 3.D) 4.

99

14. Тела, изготовленные из однородного материала, подвесили, как показа-но на рисунке. Которое из них останется в этом положении?

A B C D

15. Стержень, изготовленный из несгибаемого материала, имеет форму, приве-денную на рисунке. В каком месте находится его центр тяжести?

L

K MA) В точке K.B) В точке L.C) В точке M.D) Между точками K–L.


В нижеприведенной таблице вы ознакомитесь с кратким содержа-нием тем, изложенных в главе III.

Центр тяжести

Центром тяжести твердого тела называют точку приложения рав-нодействующей сил тяжести, приложенных ко всем частям тела.Центр тяжести однородных тел (шара, сферы, кольца и т.д.) совпа-дает с гео метрическим центром этих тел.

Видыравновесия

Если тело вывести из положения равновесия: а) возникает сила, возвращающая тело в первоначальное состояние, такое равнове-сие – устойчивое; б) если возникает сила, стремящаяся еще боль-ше отклонить тело от первоначального состояния, такое равнове-сие называется неустойчивым; д) не возникает никакой силы, та-кое равновесие называется безразличным.

Моментсилы

Физическая величина, определяемая формулой M = F · l. F – сила; l – плечо силы, наикратчайшее расстояние от точки приложения силы до оси вращения.


100100

Рычаг Твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опо-ры.Условие равновесия рычага F1 · l1=F2 · l2 открыто Архимедом. Рычагом пользу-ются для подъема тяжелых грузов, что-бы выиграть в силе.

Простые механизмы

(блок,наклонная плоскость, винт, клин, ворот)

Механизмы, позволяющие изменять направляющие силы, дают выигрыш в силе.Блок – с желобом по ободу. По желобу блока пропускают веревку. Блоки быва-ют подвижные и неподвижные.Неподвижный блок изменяет только на-правление силы. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза. Система, со-стоящая из подвижного и неподвижного блоков, называется полиспастом. Сила F, удерживающая тело на наклонной пло-

скости, численно равна F = mg. Винт дает выигрыш в силе и поэтому используется в качестве домкра-та. Клин бывает в форме треугольника. На широкую часть клина действуют силой F, и можно получить силы F1. Ворот дает выи-

грыш в силе в раз. Здесь – R – длина плеча ворота; r – радиус барабана, куда наматывается веревка. Система, состоящая из не-скольких воротов, называется лебедкой.

Золотоеправиломеханики

Любой механизм во сколько раз выигрывает в силе, во столько раз проигрывает в расстоянии. Ни один из простых механизмов не дает выигрыша в работе.

Коэффициент полезного действия

механизмов

Величина, измеряемая отношением полезной работы (Aпол.) к пол-ной работе (Aзат.), называется коэффициентом полезного действия

(КПД) механизма η = Апол.

Азат.. КПД любого механизма всегда мень-

ше 100 %.



– источники теплоты;– телопроводность

различных сред;– явление конвекции;– излучение;– тепловое расширение тел;– взгляды Фараби, Беруни

и Авиценны на тепловые явления;

– температура и методы ее измерения;

– внутренняя энергия и методы ее измерения;

– двигатели внутреннего сгорания;

– сведения об охране окружающей среды.

IVГЛАВА

ТЕПЛОВЫЕЯВЛЕНИЯ

Глава IV. Тепловые явления

102102


Вы много раз смотрели по телевизору мультфильм «Маугли». Для того чтобы победить своего злейшего врага тигра, Маугли овладевает «красным цветком» (т.е. огнем). После этого все звери в нем призна-ют человека. Действительно, условия жизни человека резко меняют-ся с приобретением огня. Есть сваренную пищу, расплавить металл и изготовить из него орудия охоты, труда и войны, согреваться и др. – все это связано с получением и использованием огня. Об огне создано много легенд. Например, в греческом мифе о Прометее гово-рится, что он украл огонь у богов, принес людям и научил их поль-зоваться им. Даже фильм о первом полете в космос назвали «Укро-щение огня», так как человек использует энергию тепла не только в машинах для передвижения по земле и океанам, но и для полетов в космос.

В повседневной жизни вы часто пользуетесь понятиями жарко, хо-лодно, горячо, тепло, зима и лето. Когда вы изучали строение веще-ства, то узнали, что пар, вода и лед состоят из одних и тех же моле-кул. Так чем же отличаются молекулы холодной и горячей воды? Что мы понимаем под словом «температура»? На эти и другие подобные вопросы мы получим ответ в этой главе.

ТЕМА 33

ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА. ПРИЕМНИКИ ТЕПЛА

Вы знаете, что тепло получается при сжигании дров, угля, газа и нефтепродуктов. Но основным источником тепла является Солнце. Падающие на Землю солнечные лучи согревают ее, от нее тепло пе-редается в нижние слои атмосферы и нагревает воздух. Уголь, газ и нефть тоже являются продуктом энергии солнечных лучей, падавших на Землю в течение многих веков. Даже используемая нами энергия ветра является продуктом Солнца.

103

Что мы понимаем под словом «теплота»? Вначале теплоту тоже рассматривали как некое вещество. Например, при сгорании газа выделяемое тепло передается воде. Теперь вода становится источ-ником тепла. И если затем кипящую воду убрать с газовой плиты, теплота от нее передается в воздух и т.д. Поэтому для измерения теплоты ввели специальную физическую величину «количество теплоты».

Проведем такой опыт. В зимний день возьмите в руки два куска льда, руки должны быть в перчатках (чтобы тепло ваших рук не пе-решло в лед), и начинайте тереть куски льда друг о друга.

Лед постепенно начнет таять, и закапает вода. Откуда взялось тепло, растопившее лед? В жизни вы часто встречали случаи на-гревания при трении. Попробуйте вспомнить их. Вот такие опыты приводят к мысли, что тепло тоже является одним из видов энер-гии. Возникает вопрос, какой энергии – потенциальной или ки-нетической – соответствует тепловая энергия? Или одновременно обеим? Известно, что вещества состоят из молекул, которые на-ходятся в непрерывном движении. Наблюдения показывают: если тело нагреть, то движение частиц ускоряется. Отсюда приходим к логическому заключению, что теплота – это кинетическая энер-гия частиц ве щества.

Температура характеризует степень нагретости тел или ве-ществ.

Наблюдения показывают, что при плавлении льда температура не повышается. Значит, подводимая в это время энергия идет на разру-шение структуры льда. Отсюда следует, что температура вещества частично характеризует и потенциальную энергию молекул. Та-ким образом, теплота считается одним из видов энергии. Она, как и другие виды энергии, может превращаться из одного вида в другой. Количество теплоты, как и все виды энергии, а также выполненная работа, измеряются в джоулях.

Источники тепла. Приемники тепла


104104

Вследствие выполнения работы создается тепловая энергия. Тепловую энергию можно преобразовать в работу, поэтому ра-бота и энергия тесно взаимосвязаны.

1. Почему при соскальзывании с веревки или дерева рука нагревается?2. Почему при резком торможении автомобиля чувствуется запах пале-ной резины?

3. Закрытый сосуд опустили в горячую воду. Изменяются ли потенциаль-ная и кинетическая энергия молекул воздуха?

4. В каких из прочитанных вами книг или просмотренных фильмов люди искусственно добывали огонь? Расскажите, как они это делали.

ТЕМА 34

РАСШИРЕНИЕ ТЕЛ ПРИ НАГРЕВАНИИ

В теме 7 вы узнали, что нагретый металлический шар застрева-ет в кольце. Чтобы изучить подобный процесс в жидкости, прове-дем следующий опыт. Возьмем три пробирки, в одну нальем воду, во вторую – масло и в третью – молоко. Пробирки заткнем пробка-ми с трубочками посередине. Расположим пробирки в сосуде с во-дой, как показано на рис. 74, и снизу подведем тепло. По мере на-гревания воды жидкости медленно будут подниматься по трубоч-кам. Значит, жидкости тоже при нагревании расширяются. Так как высота подъема жидкости в трубочках различная, то и расширяют-ся они по-разному. Для изучения расширения газов возьмем колбу и заткнем ее пробкой с трубочкой посередине (рис. 75). Опустим конец трубочки в воду и будем держать колбу обеими руками, слегка потирая. Тогда увидим, как из трубочки выходят пузырь-ки воздуха. Это происходит потому, что колба вместе с воздухом нагревается от температуры рук. Расширяющийся воздух выходит в виде пузырьков. Теперь, если мы закрепим колбу на штативе и оставим там, то через некоторое время вода будет подниматься по трубочке. Это происходит потому, что при охлаждении газ в колбе сжимается.

105

Рис. 76Рис. 74 Рис. 75

медь

железо

лед

Таким образом, вещества (твердые, жидкие и газо образные) при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Причина этого явления, как было сказано выше, – движение молекул. Это свойство веществ широко используется в быту и в технике. При строительстве железных дорог оставляют зазор между рельсами. Электрические провода летом монтируются со слабинкой. Это дела-ется для того, чтобы зимой при сжатии они не оборвались. Нельзя в стакан сразу наливать горячую воду. Так как от нагрева внутренняя стенка быстро расширяется, а внешняя сторона не успевает расши-риться, стакан лопается.

1. Биметаллическая пластина. На рис. 76 приведены спаянные друг с другом две металлические пластины – медная и железная.

Медь и железо расширяются по-раз ному. Если эту пластину нагреть, она сгибается в сторону железа, если охладить – то в сторону меди. Что происходит с пластиной, если ее сильно нагреть и сильно охладить? По-думайте об этом.

Остановимся на некоторых применениях этой пластины. Если вни-мательно рассмотреть внутреннее устройство холодильника или утю-га, то видно, что через некоторое время работающий холодильник выключается, утюг, после того, как прогреется, также должен выклю-чаться. Внутри этих приборов имеется биметаллическое устройство включения-выключения тока (рис. 77).

2. О расширении воды при нагревании. Опыты, проведенные с водой, показывают, что при охлаждении объем воды сначала умень-шается. По достижении 4°С уменьшение объема прекращается (тем-

Расширение тел при нагревании


106106

Рис. 77

ток

тепло

контакт

пературу воды измеряем бытовым термометром, об этом подроб-но будет рассказано в следующей теме). Если и дальше продолжить охлаждение, то объем, воды напротив, начинает увеличиваться. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вода не замерзнет. Значит, плотность воды является наибольшей при 4°С. По этой причине зи-мой в озерах замерзает только поверхность воды. На дне озера тем-пература воды будет 4°С. Если бы не было этого явления, то вода в озерах и водохранилищах промерзала до дна. И в это время остано-вилась бы жизнь в водоемах.

1. При наливании горячей воды толстостенный стакан быстрее треска-ется, чем тонкостенный. Почему?

2. Где можно использовать свойство жидкостей и газов расширяться при нагревании?

3. Бензин продается литрами. В какое время суток покупать бензин вы-годно?

ТЕМА 35

ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОТЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ И ЖИДКОСТЯХ. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. КОНВЕКЦИЯ

Все знают, что теплота может передаваться из одного места в дру-гое. Тепло от печки или батареи распространяется по всей комнате. Если в стакан с горячей водой опустить ложку, то ложка через неко-торое время нагреется. Тепло от Солнца тоже достигает Земли. Итак, как передается тепло? Представления о строении вещества приводят

107

нас к мысли о том, что передача теплоты связана с движением мо-лекул. Если вы обратили внимание, дым иногда поднимается вверх, а иногда стелется над землей. Облака на небе иногда долго остаются без изменения, а иногда быстро двигаются. Как можно объяснить все это? Воздух при нагревании у печки расширяется, и его плотность уменьшается. Под действием силы Архимеда он поднимается вверх. Его место занимает холодный воздух, у которого плотность больше. В результате между различно нагретыми слоями воздуха возникает течение. Это явление называется конвекцией. Конвекцию легко мож-но наблюдать на опыте, показанном на рис. 78. Конвекция происхо-дит не только в газах, но и в жидкостях. Тепло, подводимое снизу, в результате конвекционного потока поднимается вверх. Придумайте опыт, демонстрирующий конвекцию в жидкостях.

В твердых телах частицы не могут перемещаться из одного места в другое. Они только совершают колебательные движения. Атомы в твердых телах расположены близко друг к другу, и поэтому теплота в них передается за счет колебательного движения. Такой вид передачи тепла называется теплопроводностью.

Различные вещества обладают разной теплопроводностью. Это можно увидеть на следующем опыте (рис. 79). На одинаковом рассто-янии от штатива закрепим изготовленные из меди, железа, алюминия и пластмассы стержни. На концах стержней с помощью парафина установим по спичке. После этого медленно будем нагревать диск.

В зависимости от теплопроводности, спички будут поочередно па-дать. Из таблицы 4 определите очередность падения спичек.


Передача теплоты в твердых телах и жидкостях. Теплопроводность. Конвекция


108108

Таблица 4

Вещество ТеплопроводностьВт/(м · К) Вещество Теплопроводность

Вт/(м · K)

Алюминий 209 Свинец 35Медь 395 Бетон 0,11–2,33Сталь 50 Бумага 0,140Железо 73 Вода 0,600Серебро 418 Воздух 0,025

Кирпич (красный) 0,77 Хлопок 0,042

Чтобы изучить теплопроводность жидкости, проведем следующий опыт. Возьмем длинную пробирку и положим в нее кусочки льда. Сверху лед придавим металлическим шариком и на-льем воду в пробирку. Наполнив пробирку, как показано на рисунке, будем нагревать верхнюю часть воды. Вода будет нагреваться, а затем и за-

кипать, но лед на дне пробирки не будет таять (рис. 80). Подумайте о причинах этого явления.

Воздух тоже, как и жидкость, является плохим проводником теп-ла. Мы можем спокойно держать руку у горящей спички или печки, не боясь обжечься.

Начертите отопительную систему вашего дома. Изучите, на-сколько правильно она сделана.

1. Почему форточки на окнах устанавливаются сверху?2. В каких случаях в веществах тепло одновременно передается и тепло-проводностью и излучением?

3. Почему вы не обжигаете пальцы, когда держите горящую спичку?4. Из таблицы определите, в каком доме летом прохладнее, а зимой те-плее? В доме, построенном из кирпича или бетона?

Рис. 80

109

ТЕМА 36

ИЗЛУЧЕНИЕ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В БЫТУ И ТЕХНИКЕ

Таким образом, и конвекция, и теплопередача осуществляются за счет движения частиц. Тогда каким образом передается тепло от основного источника тепла на Земле – Солнца? Ведь между Землей и Солнцем существует вакуум, – среда, где практически нет частиц! В этом случае теплота передается излучением. Световой поток, иду-щий от Солн ца, несет с собой и тепловую энергию. Лампочка нака-ливания, наряду со световым излучением, излучает и тепло. Несмо-тря на то, что внутри лампочки нет воздуха, излучаемое тепло мы можем почувствовать руками. Тепловая энергия, получаемая путем излучения, зависит от цвета нагреваемой поверхности. Если зимой снег накрывать попеременно белым и черным материалом одинаково-го размера, то увидим, что под черным материалом снег будет таять быстрее, чем под белым. Значит энергия, падающая на поверхность, может поглощаться, а может и отражаться. Оконные стекла хорошо пропускают излучение, идущее от Солнца, но плохо пропускают теп-ло, идущее от радиатора. Теперь вы, наверное, поняли предназначе-ние стеклянного потолка и стен в теплицах?

В быту и в технике широко используются явления конвекции, те-плопроводности и излучения. На рис. 81 приведена схема «котла» во-дяного отопления. Попробуйте объяснить возникающую в нем кон-векцию. На рис. 82 приведено в разрезе помещение с радиаторным отоплением. Объясните процессы, происходящие в помещении. По-чему радиаторы устанавливаются под окнами? На рис. 83 приведен чертеж термоса. В нем внутри металлической оболочки расположен двухстенный стеклянный сосуд. Между стеклянными стенками име-ется вакуум. Внутренние стенки стеклянного сосуда покрыты тонким слоем серебра. Жидкость в таких сосудах долгое время сохраняет свою температуру. Объясните, почему в термосах температура жид-кости хорошо сохраняется.

Излучение. Использование теплопередачи в быту и технике


110110

Значит, при необходимости для улучшения теплопередачи принимаются меры усиления конвекции и применяются материалы с хоро-шей теплопроводностью. Котел для приготов-ления пищи и чайник для кипячения воды из-

готавливаются из материала с хорошей теплопроводностью. Но чай лучше заваривать в фарфоровом чайнике, в этом случае чай долго остается горячим. Если пить чай из стакана, то можно обжечься, а если пить из фарфоровой пиалы – нет. Почему?

При использовании энергии излучения обращают внимание на материал и на цвет. Летом надевают рубашки белого цвета, они хо-рошо отражают тепловые лучи, а зимой надевают одежду темных расцветок.

1. Возьмите плотную бумагу и изготовьте из нее коробку. Наполните ее водой и через некоторое время поставьте на

закрытую сверху электрическую плиту. Вода в ней будет нагре-ваться и даже закипит. Но бумажная коробка не загорится. Объяс-ните причину.

2. Приклейте клочок бумаги на кусок железа, масса и размеры ко-торого больше, чем у бумаги, и подержите над огнем. Проследите, что случится с бумагой, и дайте этому объяснение.

Рис. 81


111

1. Как предохраняют двигатели автомобилей от перегрева?2. При отоплении дома используют печи, где непосредственно сжигает-

ся топливо, водяные или паровые радиаторы. Какие имеются у них преимущества и недостатки?

3. Почему в холодном помещении первыми мерзнут ноги?

ТЕМА 37

ВЗГЛЯДЫ ФАРАБИ, БЕРУНИ И АВИЦЕННЫ НА ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Великие мыслители Абу Наср аль-Фараби, Беруни и Авиценна в своих трудах давали объяснения природы тепловых явлений. В част-ности, по мнению Фараби, температура вещества, высокая она или низкая, зависит от движения частиц, из которых состоят вещества. Авиценна, как и Фараби, следующим образом объясняет конвекцию: из-за расширения нагретых тел плотность их уменьшается, и они стремятся вверх (за счет силы Архимеда). При охлаждении объем уменьшается, и за счет увеличения плотности тела стремятся вниз.

Aбу Наср аль-Фараби (873–950) родился в городе От-раре (Фараб), расположенном недалеко от реки Сыр-дарьи. Фараби работал во многих областях науки. До него физика не считалась отдельной наукой, а была ча-стью естествознания. В физике он выполнял работы по изучению строения вещества, теплоты, движения, зву-ка, оптики и др.

Беруни обратил внимание, что расширяясь при нагревании и сжи-маясь при охлаждении, вода обладает особыми свойствами. По это-му случаю приведем вопрос, заданный Беруни Авиценне: «Если тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются, то они должны ломать сосуды за счет расширения тел внутри них, поче-му сосуд с водой при замерзании лопается? Почему лед плавает на поверхности воды, ведь за счет замерзания лед становится ближе к

Взгляды Фараби, Беруни и Авиценны на тепловые процессы


112112

природе Земли (к твердому телу)?». Авиценна на этот вопрос отве-тил так: «При замерзании воды частички воздуха запираются внутри льда и не дают льду погрузиться в воду». Беруни возражает Авицен-не: «Если бы кувшин ломался внутрь, то сказанное было бы правиль-ным. Я наблюдал, что кувшин ломается наружу». В дальнейшем Ави-ценна исправил неточности в своих ответах.

Ранее мы говорили, что тепло передается также излучением, и что поглощение излучения зависит от вида поверхности и ее цвета. Энер-гия, получаемая поверхностью от излучения, зависит от того, как луч падает на поверхность – вертикально или под углом. Климатические зоны на Земле Беруни и Авиценна правильно объясняли тем, что на-клон солнечных лучей, падающих на землю, различен.

По мнению Авиценны в природе существуют естественные и ис-кусственные источники тепла и холода. Внешняя причина тепла – это работа. Он пишет: «Во-первых, близость горячего тела к холодному. Например, огонь нагревает воду. Во-вторых, движение и трение. На-пример, если взбалтывать воду, она нагревается, если тереть камень о камень, он нагревается, появляется огонь. В-третьих, любой освещен-ный предмет теплее неосвещенного». Здесь приводится мнение о том, что тепло распространяется излучением.

Среднеазиатские мыслители прошлого также писали, что за счет тепла пары воды поднимаются вверх, превращаются в облака, там при низких температурах образуется снег, дождь, град.

1. Как бы вы ответили на вопросы Беруни?2. В каких случаях белье сохнет быстрее? Когда лучи Солнца падают вер-тикально или косо?

3. До какой степени можно нагреть воду, взбалтывая ее? Попробуйте!

• Возьмите детскую игрушечную металлическую тарелку и поставьте на маленький огонь. После того, как тарелка нагре-

ется, налейте в нее половину чайной ложки воды. Вместо того, чтобы сразу испариться, вода в виде шарика скатится на дно тарелки. В чем

113

причина этого явления? А причина в том, что между водой и горячей тарелкой образуется пар, который создает теплоне проницаемый слой. Это явление можно наблюдать, плеснув воду на разогретый утюг.

• Зимой, чтобы не замерзнуть, надевают пальто и шапку. Греют ли они человека? Возьмем два куска льда и положим их в целлофановые пакеты. Один пакет оставим открытым, а другой завернем в пальто. Через некоторое время увидим, что лед, оставленный открытым, не-много подтаял, а лед, завернутый в пальто, остался без изменения. Значит, пальто и шапка ничего не греют. Они только плохо проводят тепло.

ТЕМА 38

ТЕМПЕРАТУРА. ТЕРМОМЕТРЫ. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА

Ранее мы говорили о том, что помещение нагревается, тела охлаждаются. Эти выводы мы приводили, исходя из своих ощу-щений. Но всегда ли наши ощущения дают правильные выводы? Чтобы проверить это, поставим на стол три стакана. В одном ста-кане пусть будет горячая, в другом – теплая, а в третьем – холод-ная вода. Сначала на некоторое время опустим палец левой руки в стакан с холодной водой, палец правой руки в стакан с горячей во-дой. Затем эти же пальцы левой и правой рук опустим в стакан с теплой водой. Тогда палец левой руки ощутит, что вода горячая, а палец правой руки ощутит, что вода холодная. Только с изобрете-нием специального измерительного прибора стало возможным объ-ективно оценивать температуру. Прибор, измеряющий температу-ру, называется термометром. Изобретателем термометра считается Галилей. Вы видели термометр, при помощи которого врач изме-ряет температуру. Конечно, современный термометр отличается от термометра (термоскопа) Галилея. В его устройстве использовано свойство тел изменять свой объем при нагревании. В термометре

Температура. Термометры. Измерение температуры тела



114114

Рис. 84 Рис. 85 Рис. 86

а) б)

Галилея использовано расширение воздуха (рис. 84). Впоследствии французский ученый Рей в 1631 г. изготовил водяной термометр. В современных термометрах, в основном, используют ртуть или спирт. Один из термометров показан на рис. 85. При нагревании вещество расширяется и поднимается вверх, а при охлаждении сжимается и опускается вниз. Показания этих термометров отсчитываются в гра-дусах. Шведский ученый А. Цельсий (1701–1744) при измерении тем-пературы за начало отсчета 0 (ноль) взял температуру тающего льда (рис. 86, а). Температуру кипения чистой воды при нормальных усло-виях он принял за 100 градусов (рис. 86, б). Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей и одно деление принимают за 1°С. Для измерения температуры жидкости в помещении или в сосуде термометр опускают в среду на некоторое время. В этом случае тем-пература жидкости в термометре уравняется с температурой среды. Температуру воды в сосуде определяют, не вынимая термометр из воды. В противном случае, как только термометр извлекут из воды, его показания изменятся.

В медицинских термометрах, измеряющих температуру больного, этот недостаток исключен. Врач спокойно может взять термометр у больного и посмотреть показание. Ртуть при нагревании легко под-нимается, а при охлаждении в тонкой трубочке столбик ртути оста-

115

навливается. После определения показания термометра его встряхи-вают. Тогда ртуть в трубочке опускается вниз. Пределы измерения медицинского термометра от 35 до 42°С. Температура здорового чело-века бывает ~36,6°С. Отклонение температуры тела от этого значения говорит о том, что человек нездоров. Температура домашних живот-ных – овцы, коровы, лошади, кролика – бывает в пределах 38–40°С, у птиц – около 41–42°С.

Имеется ли нижняя или верхняя граница температуры веще-ства? На Земле в естественных условиях в Антарктиде отмечалась температура минус 88°С (1960 г., на научной станции). В специаль-ных лабораториях искусственным путем была получена темпера-тура минус 273,149°С. По расчетам нижняя граница температуры равна минус 273,15°С.

С какими температурами мы имеем дело в домашних условиях?Вода закипает при 100°С. В пламени природного газа, исполь-

зуемого для кипячения воды, температура достигает 1500–1800°С. Температура спирали электрической лампочки – 2500°С. Если тем-пература горючей смеси в двигателе автомобиля ~1700°С, то при электросварке она достигает 7000°С. Верхняя граница температу-ры не зафиксирована.

1. Как можно измерить температуру больного, если температура окру-жающего воздуха выше температуры тела человека?

2. Как изменяется точность термометра, если уменьшать диаметр трубочки?

3. В какой воде следует мыть медицинский термометр? В холодной или горячей?

Температура. Термометры. Измерение температуры тела


116116

ТЕМА 39

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМОМЕТРА

Необходимые принадлежности. Термометр, горячая вода, холод-ная вода, мензурка, стеклянная палочка, чашка для воды.

Выполнение работы.1. Повесьте термометр в кабинете физики на таком месте, чтобы

на него не падали прямые солнечные лучи, вдали от нагревательных приборов (батарея, плитка), но так, чтобы шкала термометра была хо-рошо видна.

2. При подготовке и проведении опыта показания термометра не должны изменяться в течение 5–6 минут, после этого можно записать комнатную температуру.

3. Сосуд с водой подогревается на плитке или в пламени газа.4. С помощью мензурки отмерьте 100 мл воды и налейте ее в чаш-

ку, а затем в нее опустите термометр. Через некоторое время запиши-те показания термометра t1.

5. С помощью мензурки отмерьте 100 мл воды и в нее опустите термометр. Через некоторое время запишите показания термометра t2.

6. Горячую воду из мензурки налейте в чашку с холодной водой. Перемешайте воду стеклянной палочкой и замерьте температуру t3.

7. Опыт повторяется при различных температурах горячей воды.

1. Почему, если термометр вынуть из воды, его показания уменьшаются?2. Как меняется точность измерения, если опыт проводить с термоме-тром, у которого диаметр трубочки маленький?

117

ТЕМА 40

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ

В разделе «Механические явления» вы узнали, что тела обладают двумя видами энергии. Энергия, которой обладают тела благодаря взаимодействию, называется потенциальной, а энергия, которой об-ладают тела благодаря своему движению, называется кинетической. Из раздела «Cтроение вещества» вам известно, что все вещества со-стоят из мельчайших частиц – атомов или молекул и что из-за этого движения частицы обладают кинетической энергией. В жидкостях и твердых телах частицы располагаются в определенном порядке и вза-имодействуют, поэтому обладают потенциальной энергией. Так как эта энергия относится к частицам, из которых состоит вещество, она называется внутренней энергией вещества. Чтобы глубже понять это, рассмотрим следующий пример. Чем отличаются молекулы воды при температуре 30°С от молекул воды при температуре 80°С? Они отличаются только скоростью. Скорость молекул воды при темпера-туре 80°С будет больше, чем скорость молекул воды при температуре 30°С.

Значит будет больше и кинетическая энергия. Отсюда вытекает, что внутренняя энергия воды при температуре 80°С больше, чем внутренняя энергия воды при температуре 30°С. В результате этих рассуждений появляется возможность дать определение температу-ре. Температура есть мера средней кинетической энергии час-тиц, из которых состоит вещество.

Из предыдущего известно, что температуру тела можно повысить не только путем его нагревания, но и путем совершения работы. На-пример, если взять монету и потереть ее о шерсть, она нагревается. Древние люди получали огонь путем трения двух кусков дерева. Что-бы древесина загорелась, ее температура должна подняться до 250°С. Легко ли достичь этого путем трения древесины? Попробуйте.

Внутренняя энергия и методы ее измерения


118118

В настоящее время огонь тоже добывается трением. Для этого достаточно потереть спич-кой об коробку! Только здесь температура возгорания вещества, находящегося на кончи-ке спички, намного меньше, и поэтому спич-ка быстро загорается. Спички изобрели в 30-х годах XIX века. Так как при этом использова-ли фосфор, у которого температура возгора-ния равна 60°С, спичка загоралась от любого трения, даже о подошву сапога. Из-за низкой температуры возгорания часто возникали по-жары, а фосфор, к тому же, ядовит, поэтому в 1855 году в Швеции изобрели более безопас-

ное горючее соединение для спичек.Повышение внутренней энергии при выполнении работы мож-

но увидеть при помощи следующего устройства. В цилиндр из тол-стого оргстекла помещают вату, смоченную бензином. Затем быстро опускают поршень вниз, при этом вата загорается. Здесь при сжатии воздуха повышается его внутренняя энергия, т.е. температура, и вата загорается. Если газ сжать при помощи внешней силы, температура его повышается. Что будет, если газ сам по себе расширится? При та-ком расширении работа будет совершаться за счет внутренней энер-гии газа, и поэтому его температура понизится. Работа холодильника основана на этом принципе.

Как было сказано выше, внутренняя энергия вещества также определяется потенциальной энергией частиц, из которых состо-ит вещество. Например, при температуре 0°С одновременно суще-ствуют и вода и лед. Но из-за различного взаимного расположения молекул внутрен няя энергия воды при 0°С будет больше, чем вну-тренняя энергия льда при 0°С. Таким образом, тела, имеющие оди-наковую массу и температуру, имеют разную внутреннюю энер-гию.

Рис. 87

119

Возьмите медную или алюминиевую проволоку и в одном месте несколько раз согните и выпрямьте. В этом случае про-волока сломается на месте сгиба. Объясните причину.

1. Почему горячий чай быстрее охлаждается, если его мешать ложкой?2. Изменится ли внутренняя энергия ведра с водой, если поднять его с первого этажа на второй?

3. Приведите примеры повышения внутренней энергии за счет трения.

ТЕМА 41

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.ПАРОВАЯ ТУРБИНА

Нельзя ли использовать внутреннюю энергию для совершения ра-боты? Рассмотрим следующий опыт.

В пробирку нальем немного воды и заткнем ее пробкой. Затем до-ведем температуру воды до кипения. Давление образовавшего пара повысится и выбьет пробку. В этом процессе энергия топлива превра-щается во внутреннюю энергию пара, затем пар расширяется и выби-вает пробку, т.е. совершает работу.

Если вместо пробирки взять цилиндр, а вместо пробки поршень, то у нас получится простой тепловой двигатель.

Устройство, превращающее тепловую энергию в механичес-кую, называют тепловым двигателем.

Существует множество видов тепловых двигателей: паровая ма-шина, двигатель внутреннего сгорания, паровая или газовая тур-бина, реактивный двигатель. Хотя со времен Архимеда знали, что при расширении пар совершает работу, но первый тепловой двига-тель был построен только в конце XVIII века. Его назвали паровой машиной. Он состоял из парового котла, высокотемпературный пар подавался в цилиндр и приводил в движение поршень. Первая паровая машина была построена английским механиком Джейм-

Двигатели внутреннего сгорания. Паровая турбина


120120

сом Уаттом в 1768 году. Затем под его руководством в течение 10 лет было изготовлено 119 машин. Первый паровой автомобиль построен в 1770 году французским инженером Ж. Кюньо. Первый паровоз был построен английским изобретателем Ричардом Треви-тиком в 1803 году. С 1803 года Джорж Стефенсон запускает за-вод по производству паровозов. В течение 100 лет паровая машина была основным средством передвижения железнодорожного транс-порта. В настоящее время паровозы заменены тепловозами и элек-тровозами.

Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским инженером Этьеном Ленуаром. В паровой ма-шине пар создается снаружи, затем подается в цилиндр. В двига-теле внутреннего сгорания топливо сжигается внутри цилиндра и создается высокотемпературный газ. Бензиновый двигатель был создан в 1885 году немецким изобретателем Ш. Даймлером. Совре-менные двигатели внутреннего сгорания бывают двух-, четырех-, шестицилиндровыми и т.д. На рис. 88 приведен четырехцилин-дровый двигатель. Поршни, находящиеся внутри цилиндров, уста-новлены на коленчатый вал 1. На валу для уменьшения колебаний укреплен тяжелый маховик 2. Каждый цилиндр в верхней части

имеет по два клапана. Один из них впускает горючую смесь (смесь бензина с воз-духом), а другой выпускает продукты горения.

Принцип работы одноци-линдрового двигателя вну-треннего сгорания приведен на рис. 89.

I такт. Впуск. Открывает-ся клапан 1, клапан 2 закрыт. Поршень 3 двигается вниз и всасывает горючую смесь.Рис. 88

121

II такт. Сжатие. Оба клапана закрыты. Поршень двигается вверх, и происходит сжатие горючей смеси.

III такт. Рабочий ход. Оба клапана закрыты. В конце сжатия про-исходит воспламенение горючей смеси от электрической искры 4. В результате образуется горячий газ с давлением 3–6 МРа и темпера-турой 1600–2200°C. Давление газа перемещает поршень вниз, и пор-шень вращает коленчатый вал.

IV такт. Выхлоп. Открывается клапан 2, клапан 1 закрыт. Пор-шень двигается вверх. Продукты горения через клапан выходят в атмосферу.

В одноцилиндровом двигателе полезная работа совершается толь-ко в III такте. В четырехцилиндровом двигателе поршни располага-ются таким образом, что в каждом такте один из них делает рабо-чий ход. В результате коленчатый вал получает полезную энергию в 4 раза быст рее.

Рис. 89

В 1897 году немецкий инженер Р. Дизель изобрел новый тип двигателя внутреннего сгорания. Здесь сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. При сжатии температура

воздуха повышается настолько, что впрыснутое горючее само вос-пламеняется. Поэтому такой двигатель не имеет устройства для соз-дания искры и карбюратора для приготовления горючей смеси. Но-

Двигатели внутреннего сгорания. Паровая турбина


122122

вый двигатель назвали дизелем. КПД ди-зельных двигателей составляет 31–44%. На карбюраторных двигателях КПД обычно бывает 25–30%.

Паровая турбина. В паровой турбине пар, имеющий высокую температуру и дав-ление, через специальные трубы подается на лопатки. Лопатки под действием имеюще-го высокую скорость пара вращают колесо (рис. 90).

1. Где в двигателе внутреннего сгорания будет больше энергия газа: в кон-це такта впуска или в конце такта сжатия?

2. На одну паровую турбину подается пар при температуре 480°С, а на другую – при температуре 560°С. Если отработанный пар у обеих тур-бин имеет одинаковую температуру, которая из турбин имеет больший КПД?

3. В каком моменте какого такта двигателя внутреннего сгорания вну-тренняя энергия газа будет самой большой?

• Самую маленькую в мире паровую машину построил 33-летний изобретатель Детли Абрахам из города Гельзенкир-

хен (Германия). Изготовленная из меди машина имела длину всего 14 миллиметров, а ширина ее составляла 12 миллиметров.

ТЕМА 42

РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Каждый из вас надувал резиновый шар. Если, не завязав отверс-тие, отпустить шар, то он взлетает. Под действием какой силы шар взлетает? Воздух, вылетающий из шара, двигается назад, а шар под действием воздуха начинает двигаться вперед. По этому принципу

Рис. 90

123

устроен реак тивный двигатель. Газ, сгоревший в двигателе, двигается назад, а сам двигатель начинает двигаться вперед. Реактивный двига-тель может быть установлен в самолете, раке-те и в гоночных автомобилях. Они двигаются за счет реактивного движения. Очень давно были изобретены также пороховые двигате-ли. Сейчас они называются твердотопливны-ми двигателями. Порох состоит из смеси угля, серы и селитры. В селитре имеется необходи-мый для горения кислород. Такие двигатели установлены в военных и сигнальных раке-тах (рис. 91). Ими пользуются и в современ-ных военных ракетах. Но состав пороха в них другой. Во многих реактивных двигателях используют кислород из окружающего возду-ха. Их называют воздушными реактивными двигателями. Те из них, которые не исполь-зуют воздух, называются ракетными двигате-лями. В 40-х годах прошлого столетия ученые изобрели реактивные двигатели на жидком топливе. В камеру сгорания таких двигателей из отдельных баков подаются жидкое топливо и окислитель (рис. 92). Высокотемпературные газы, сгоревшие в камере сгорания, вылетают из сопла и толкают ракету вперед. Такие двигатели в настоящее вре-мя выводят ракеты в космос. Для самолетов изобрели воздушные ре-активные двигатели. В них необходимый для горения кислород бе-рется из воздуха. Двигатель, установленный в самолете, всасывает воздух и смешивает его в камере сгорания с парами керосина. Такой двигатель называется турбореактивным. Газ, вылетающий из сопла турбореактивного двигателя, имеет температуру ~500°С и скорость ~550 м/с. Самолеты-истребители летают со скоростью выше 2000 км/

Реактивный двигатель. Тепловые машины и охрана окружающей среды

Рис. 92

Рис. 91

порох

Сжатыйгаз

Камерасгорания

Камерасгорания

Окисли-тель

Сопло

Насос


124124

час, мощность (тяга) их двигателей достигает 15000 л.с. при относи-тельно небольшом размере. Поршневой двигатель с такими данными создать невозможно. Турбореактивный двигатель позволяет летать на высотах более 20 километров (поршневой – не более 10 км), причем у земли на сверхзвуковой скорости (более 1250 км/ч), а предел для поршневого – 750 км/ч.

Отработанное топливо у рассмотренных выше двигателей вну-треннего сгорания выбрасывается в атмосферу. Отработанные газы содержат много вредных веществ, и поэтому они загрязняют окру-жающий воздух. Из воздуха вредные вещества (особенно соединения свинца) усваиваются растениями, которые становятся непригодными для употребления. Поэтому в целях охраны окружающей среды вво-дятся ограничения на наличие вредных веществ в выхлопных газах, выходящих из автомобиля. В хорошо отлаженном двигателе содержа-ние вредных веществ в отработанном топливе не превышает установ-ленных норм. Это проверяется специальными сотрудниками при тех-ническом осмотре и контроле автомобиля.

Соедините с водопроводом, имеющим боль-шое давление, резиновый шланг длиной 20–30 см. На конец шланга наденьте

Г-образную металлическую или пласт массовую трубку. Откройте воду и приблизительно отметьте отклонение шланга от вертикали при сильной или слабой струе (рис. 93). Дайте объяснение этому яв-лению.

1. На чем основано движение реактивного двигателя?2. Приведите примеры реактивного движения из повседневной жизни.3. На каком движении основан полет ружейной пули?

Рис. 93

125

Контрольные вопросы к главе IV

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ IV

1. Почему в котлах трубы делаются высокими?A) Чтобы издалека увидеть источник тепла.B) Чтобы улучшить конвекцию.C) Для выполнения требований архитектуры.D) Чтобы вывести продукты горения выше уровня, где дышат люди.

2. В основном каким способом передается тепло в твердых телах?A) Конвекцией. B) Посредством теплопроводности.C) Излучением. D) Всеми приведенными выше.

3. Что такое конвекция?A) Возникновение потока между неравномерно разогретыми слоями

жидкости или газа.B) Обмен теплотой посредством излучения между неравномерно разо-

гретыми слоями жидкости и газа.C) Переход вещества из жидкого состояния в газообразное.D) Изменение внутренней энергии при теплообмене.

4. Как изменяется мощность реактивных самолетов с увеличением высо-ты полета?A) Не изменяется. B) Растет. C) Уменьшается. D) Сначала растет, а потом уменьшается.

5. Меняется ли масса воды при замерзании?A) Не меняется. B) Растет. C) Уменьшается. D) Зависит от внешнего давления.

6. Какова последовательность тактов в одноцилиндровом двигателе вну-треннего сгорания?A) Впуск, рабочий ход, сжатие, выпуск.B) Рабочий ход, впуск, сжатие, выпуск.C) Выпуск, впуск, рабочий ход, сжатие.D) Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.


126126

7. Какое движение называется реактивным ?A) Движение, возникающее при воздействии на неподвижное тело дру-

гого тела.B) Равномерное движение, когда на тело не действует другие тела.C) Движение, возникающее при отделении с какой-то скоростью неко-

торой части тела от него.D) Движение, возникающее из-за разницы давления.

8. Каков физический смысл температуры?A) Мера средней кинетической энергии молекул.B) Мера потенциальной энергии взаимодействия молекул.C) Мера внутренней энергии газа, жидкости и твердых тел.D) Мера нагретости вещества.

9. Почему железная ручка двери зимой кажется холоднее, чем деревянные части?A) Металл больше поглощает тепло.B) Теплопроводность металла больше, чем у дерева.C) Теплопроводность дерева больше, чем у металла.D) Железная ручка находится снаружи больше, чем деревянные части.

10. Если затопить печь, то как меняется внутренняя энергия воздуха в по-мещении?A) Не меняется. B) Растет. C) Уменьшается. D) Зависит от температуры внешней среды.

11. Каким способом передается энергия от Солнца на Землю?A) Конвекцией.B) Излучением.C) Посредством теплопроводности.D) Способами, приведенными в А и С.

12. Одно ведро угля подняли на 4 этаж дома и сожгли. При этом насколько больше выделится энергии, чем если уголь сжечь на первом этаже.A) В 4 раза. B) В 2 раза.C) В 3 раза. D) Выделится одинаковое количество теплоты.

127


В нижеприведенной таблице вы ознакомитесь с кратким содержа-нием тем, изложенных в главе IV.

Температура Величина, характеризующая степень нагретости веществ и тел. Определяется кинетической энергией частиц, из которых состо-ит вещество.

Внутренняя энергия

Сумма кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом. Внутренняя энергия изменяется при передаче тепла телу извне или ее отнятии, а также при со-вершении работы.

Термометр Прибор для измерения температуры. Бывает ртутный или спир-товый. Основан на изменении высоты столба жидкости в трубке при изменении температуры.

Биметал-лическая пластина

Две склепанные вместе пластины, имеющие разную тепло-провод ность.

Теплопро-водность

Передача тепла из более нагретой части тела в менее нагре-тую. Передача происходит за счет движения частиц, из ко-торых состоит тело. В металлах в сотни раз больше, чем в пластмассе, кирпиче, стекле, воде. В газах – очень малень-кая.

Конвекция Передача теплоты нагретыми потоками жидкости или газа из одних участков в другие. Скорость конвекции зависит от тепло-проводности слоев.

Излучение Процесс передачи энергии нагретыми телами. Некоторые из них – видимые глазом, другие – невидимые. Излучение уносит с собой энергию. Тела и вещества при поглощении излучения нагреваются.

Шкала температур Цельсия

Одна из единиц измерения температуры. За начало отсчета бе-рут температуру таяния льда. Температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении принята за 100°С.


128128

Двигатель внутреннего сгорания

Устройство для превращения внутренней энергии горючего в ме-ханическую.

Паровая машина

Устройство для превращения внутренней энергии нагретого пара в механическую при помощи цилиндра и поршня.

Паровая турбина

Устройство, в котором высокотемпературный пар под большим давлением передает энергию колесу, приводя в движение лопасти турбины.

Дизель Двигатель внутреннего сгорания, в котором горючее воспламеня-ется в цилиндре под действием высокого давления. Воздух в ци-линдре при быстром сжатии нагревается (600–700°C). И если в этот момент туда впрыснуть горючее, оно воспламеняется. Дви-гатель назван именем изобретателя Р. Дизеля.

Реактивный двигатель

Вылетающие из двигателя газы создают силу тяги, направлен-ную в противоположную сторону. На этом принципе основана работа реактивного двигателя. Двигатель, который использует воздух, называется воздушным реактивным двигателем, а двига-тель, не использующий воздух – ракетным двигателем.



– источники света;

– закон распространения света;

– солнечные и лунные затмения;

– взгляды Беруни и Авиценны на световые явления;

– сведения о зеркалах и линзах;

– лупа, устройство фотоаппа-рата;

– образование радуги и разложе-ние белого света призмой;

– ознакомление с лабораторны-ми работами по оптике.

VГЛАВА

СВЕТОВЫЕЯВЛЕНИЯ

Глава V. Световые явления

130130


Как было сказано ранее, Солнце является не только основным ис-точником энергии на Земле, но и основным побудителем органической жизни. Для роста растений, деревьев обязательно необходим свет. Что мы понимаем под словом «свет»? Как формируется зрение? Почему свет легко проходит через толстое стекло, но не проходит через тонкую бумагу? С какой скоростью он распространяется? На эти и подобные вопросы человечество старалось найти ответ с доисторических времен. Но свои секреты свет хранил дольше других явлений. Наши сведения об окружающем мире, полученные с помощью зрения, намного больше сведений, полученных с помощью других органов чувств.

Древние греки думали, что из глаз человека выходят какие-то лучи, они падают на предметы, и тогда что-то можно увидеть. Разве в та-ком случае глаз не должен видеть одинаково днем и ночью? Как вы думаете? Впоследствии английский ученый И. Ньютон предложил рас-сматривать свет как поток частиц. Этот поток называется лучом света. Луч света выходит из какого-то источника, например, Солнца и падает на предметы. Отразившись от них, он попадает нам в глаза и поэтому мы видим предметы, так объяснял Ньютон. Это предположение, хотя и объясняет многие процессы, связанные со светом, но далеко не все. Например, возгорание может произойти от Солнца, также может про-исходить обесцвечивание материалов под действием света и т.д. В про-цессе изучения подобных явлений ученые создали новые теории о при-роде света.

ТЕМА 43

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕИСТОЧНИКИ СВЕТА

Вещества, излучающие свет, называются источниками света. Например, Солнце, звезды, электрическая лампочка, горящая свеча, пламя костра и т.д. Некоторые вещества, такие как Луна или зеркала, сами не являются источниками света, но светят отраженным светом.

131

Некоторые насекомые и рыбы тоже излучают свет. Источники све-та условно можно поделить на два вида: естественные источники све-та и искусственные источники света (рис. 94).

Солнце, звезды, молния, полярное сияние, золотой жук, некоторые виды рыб, перегной являются естественными источниками света. Ис-точники света, созданные людьми, называются искусственными источ-никами света. К ним относятся электрическая лампочка, пламя костра, керосиновая лампа, экран телевизора, электрическая и газовая сварка, го-рящий природный газ и т.д.

Луч, выходящий из источника света, имеет различную окраску. Основной причиной излучения света веществом является нагревание. В зависимости от того, какова температура вещества – высокая или низ-кая, меняется и цвет излучения. Например, если через электрическую лампочку не проходит определенный ток, она тускнеет и не очень хо-рошо освещает комнату.

Естественные источники света

Искуственные источники света

Приемники света

Рис. 94

Естественные и искусственные источники света


132132

Вещества, реагирующие на свет, называются приемниками све-та. Человеческий глаз выполняет эту функцию. Сюда же относятся фотопленки, фотоаппараты, видеокамеры, солнечные батареи, пульты управления телевизором и видеомагнитофоном. Под действием солнеч-ных лучей в растениях протекают сложные процессы и выделяется не-обходимый для жизни на Земле кислород, образуются белки и масла.

1. Какие еще источники света вы знаете?2. Существуют ли вещества, излучающие свечи в холодном состоянии?3. Какие еще устройства, работающие от воздействия света, вы знаете?

ТЕМА 44

ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА.ТЕНЬ И ПОЛУТЕНЬ

Для того чтобы изучить распространение света, проведем следую-щий опыт. Между источником света М и экраном Е поместим препят-ствие Т (рис. 95 а). На экране появится тень диска. Если между источ-ником света М и экраном поместить препятствие с щелью ТТ, на экра-не увидим световое пятно, соответствующее щели (рис. 95, б). Если мысленно провести две прямые линии через точки на границе тени и на поверхности препятствия, а затем продолжить их далее, то окажет-ся, что точкой пересечения этих линий является источник света. То же произойдет, если провести линии через световое пятно и границы щели на экране. Отсюда мы приходим к выводу, что свет распростра-няется прямолинейно. Поэтому свет еще называют лучом. В матема-тике при проведении линии часто употребляют выражение «проведем луч». На рис. 95 показана тень, образовавшаяся за предметом. Цен-тральная часть тени – темная, на краях – полутемная.

Темную часть называют тенью, а полутемную часть называют по-лутенью. На рис. 96, а показано, как на предмет падает свет от двух источников S1 и S2. На тень за предметом ни от какого источника свет не падает. В полутень падает свет от одного из источников. В область за полутенью свет падает от обоих источников. Если пога-сить одну из свечей, то за предметом будет только тень.

133

a) б)Рис. 96

S1

S2

a) б)Рис. 95

М МТ

ТТЕ Е

Попробуйте дать объяснение картине, наблюдаемой на рис. 96, б. В нем размеры шара намного меньше размера электрической лампочки.

Заполните глубокий таз водой. Взяв карандаш и держа его над тазом, проследите за его тенью под водой. Затем окуните по-ловину карандаша в воду и снова проследите за его тенью.

Обратите внимание на то, что тень делится на две части, и расстоя-ние между тенями большое и светлое. Подумайте о причине этого.

1. Почему в облачный день не образуются тени от предметов?2. Если на стену спроектировать тень какого-то предмета, от чего бу-дет зависеть размер тени?

3. Какие еще явления подтверждают прямолинейное распространение света?

Прямолинейное распространение света. Тень и полутень


134134

ТЕМА 45

СОЛНЕЧНЫЕ И ЛУННЫЕ ЗАТМЕНИЯ

В природе образование тени и полутени в крупном масштабе мож-но наблюдать при солнечном и лунном затмениях. Известно, что во-круг Солнца вращаются, кроме других планет, Земля со своим естест-венным спутником Луной. Земля делает один оборот вокруг Солнца за 365,26 суток. Луна же делает один оборот вокруг Земли за 27 суток 7 часов 43 минуты. В процессе их движения в какой-то момент, если между Землей и Солнцем окажется Луна, она закрывает лучи, идущие от Солнца. Тогда происходит затмение Солнца (рис. 97).

Рис. 97

A BB

Земля

Луна

Солнце

Орбита Луны

Солнечные лучи, падающие на область А на Земле, полностью перекрываются Луной, и там будет темно. В этом месте наблюдается полное затмение Солнца. В области В на Земле будет полутень. Здесь наблюдается частичное затмение Солнца. В местах полного затмения Солнца на Земле наступает полная темнота, и на небе видны звезды. Эта область Земли не нагревается, за счет чего поднимается ветер. От этого начинают выть собаки, домашние животные сильно беспокоят-ся. В прошлом и люди боялись затмений.

Если между Луной и Солнцем оказывается Земля, то наступает затмение Луны (рис. 98). Луна не излучает свет. Она просто отражает падающие на нее солнечные лучи. Когда Земля закрывает падающие на Луну лучи Солнца, тень Земли падает на Луну. Если бы у Зем-ли не было атмосферы, то во время затмения Луны она была бы не видна. Солнечные лучи преломляются в атмосфере Земли, и поэтому при затмении Луны она окрашивается в красноватый цвет.

135

Рис. 98

СолнцеЗемля

Луна


В старину не знали причину затмения Луны, у людей появлялся сильный страх. Чтобы объяснить затмение, они придумывали разные небылицы. В настоящее время затмения Солнца и Луны предсказыва-ют, с пояснением где, когда и как они будут наблюдаться. При изуче-нии этих явлений ученые наблюдают и солнечную корону, которая в другое время не видна.

За счет вращения Земли вокруг своей оси происходит смена ночи и дня. Луна также вращается вокруг своей оси. Мы видим светлую сторону Луны, а неосвещенную сторону не видим. Это нельзя путать с лунным затме нием.

Возьмите монету и через нее посмотрите на Солнце. Если мо-нету держать близко от глаза, Солнце полностью закрывается ею. Если медленно удалять монету от глаза, то закрытым

окажется центр Солнца, и оно будет видно в виде кольца. При прове-дении опыта на глаза наденьте темные очки.

1. Можно ли, стоя на Луне, наблюдать затмение Земли?2. Какое событие наблюдается чаще в течение года: затмение Луны или зат-мение Солнца?

3. Наблюдается ли частичное затмение Луны?

• Между Землей и Солнцем двигаются две планеты. Они на-зываются Меркурий и Венера. Когда они оказываются между

Землей и Солнцем, происходит ли солнечное затмение? Из-за того, что расстояние между Землей и этими планетами очень большое,

Солнечные и лунные затмения


136136

тень от них будет очень маленькой. При этом в телескоп на солнеч-ном диске можно видеть перемещение темного пятна.

• За 2000 лет до н.э. в Вавилоне знали, что затмения повторяют-ся с определенной периодичностью. Этот период называется саросом (по-арабски – повторение), и он равен 6585 суткам, т.е. 18 годам 11,3 суткам. За этот период наблюдаются 43 затмения Солнца и 28 затме-ний Луны.

46 ТЕМА

СКОРОСТЬ СВЕТА.ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Аристотель считал, что луч света распространяется мгновенно. Га-лилей пытался определить скорость света. Два человека находились друг от друга на расстоянии нескольких километров, и один из них держал в руке фонарь. Закрывая фонарь на некоторое время, один из наблюдателей засекал время. Второй наблюдатель засекал время, в течение которого он видел луч. Но эксперимент закончился неудачей. Впервые скорость света удалось измерить датскому астроному Ола-фу Ремеру в 1676 году. После него многие ученые измеряли скорость света разными методами. Скорость света – очень большая, в вакууме она равна υ = 300 000 км/с.

В природе никакое тело или частица не двигается с такой скоро-стью. При прохождении из одной среды в другую скорость света из-меняется. Например, если в воде скорость света равна 225000 км/с, то в стекле она равна 200 000 км/с. Свет от Солнца, двигающийся с та-кой большой скоростью, достигает Земли за 8,3 минуты.

Отражение света. Вспомните, в какое состояние попадает обе-зьяна или другое животное, если они первый раз оказываются около зеркала. Они пытаются схватить находящееся в зеркале свое отраже-ние. Идущие на водопой животные или древние люди, увидев свое отражение в чистой воде, тоже впадали в странное состояние.

137

Луч света отражается от различных веществ – зер-кала, поверхности воды, оконного стекла, полированной поверхности металла и других предметов. Когда свет падает из воздуха в воду, часть его отражается, а часть проникает в воду. Для изучения явления отражения пользуются следующим устройством (рис. 99). В центре оптического диска установим зеркало и направим на зеркало луч «световой указки» (лазер). Тогда увидим, как луч отражается от зеркала. Если изменить угол па-дения луча, то угол отражения тоже изменится соот-ветственно падающему. Угол между перпендикуляром, восстановленным в точке падения, и падающим лучом называется углом падения (α). Угол между перпенди-куляром, востановленным в точке падения, и отражен-ным лучом называется углом отражения (γ). Опыты показывают, что угол отражения всегда равен углу падения. Это называется законом отражения света.

α = γ.

Если бы поверхность предмета была абсолютно гладкой, луч от-разился бы от нее только в одну сторону, и мы увидели бы луч толь-ко с этой стороны. На самом деле на поверхности предмета имеются неровности, и поэтому луч света от такой поверхности рассеивается. От рассеянного света глаза не устают. Поэтому для освещения комна-ты применяются осветители с рассеянным излучением.

Преломление света. Для изучения преломления света на опти-ческий диск вместо плоского зеркала устанавливаем стекло в форме полукруга (рис. 100). Если на стекло «световой указкой» направить луч света, то увидим, что часть света 1 отразилась, а часть света 2 преломляется и проникает в стекло. Угол между перпендикуляром, восстановленным в точке падения, и преломленным лучом назы-вается углом преломления β. Опыты показывают, что угол прелом-ления меньше угла падения. Значит, при прохождении из одной сре-

Скорость света. Отражение и преломление света

Рис. 99

Рис. 100


138138

ды в другую свет меняет свое направление. Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров, например, тру-бочка в стакане с водой кажется поломанной, если смот-реть на воду в пруд, он кажется неглубоким (рис. 101). Причина преломления света при переходе из одной среды в другую заключается в изменении скорости света. При переходе света из стекла в воздух или из воды в воздух

угол преломления будет больше угла падения. Поэтому для обитате-лей воды внешний мир будет видеться совершенно другим.

Поставьте на стол пиалу и положите в нее монету. Отойдите от стола так, чтобы не было видно монеты. Затем попросите товарища налить в пиалу воду. Когда пиала наполнится во-дой, вы вновь увидите монету. Объясните причину.

1. Почему, если намочить бумагу, то будут видны буквы на обратной стороне?

2. Мальчик, сидящий на берегу озера, видит в воде отражение Сол н ца. Если мальчик встанет, в какую сторону сместится отражение Солн ца?

3. Будут ли одинаково выглядеть камни, водоросли и др. предметы, если смотреть на них находясь под водой и над водой?

ТЕМА 47

ВЗГЛЯДЫ БЕРУНИ И АВИЦЕННЫ НА СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Световые явления также привлекали внимание мыслителей Беру-ни и Авиценны. Ранее мы говорили, что основным источником энер-гии (тепла) на Земле является Солнце. Об этом Беруни в своей книге «Памятники минувших поколений» пишет так:

«Некоторые утверждают, что причина тепла в лучах Солнца – это лучи, а некоторые утверждают, что это отражение луча – изменение угла. Это не так, наоборот, в самих лучах существует тепло». Беруни

Рис. 101

139

доказывает, что на Землю тепло от Солнца прихо-дит за счет излучения. О скорости света он пишет следующее: «Некоторые говорят, что она вне време-ни, так как это не вещество, некоторые говорят, его время быстрое, но быстрее его ничего нет, и ско-рость света нельзя почувствовать». Ученый утверж-дает, что ни одно тело или частица в природе не может двигаться быстрее света. Беруни так объяс-няет причины затмений Солнца и Луны: «Причина затмения Луны в том, что Луна оказывается в тени Земли. Затмение Солнца происходит из-за того, что Луна оказывается между Солнцем и Землей. Поэтому затмение Луны не начинается с запада, а затмение Солнца – с востока. При затмении Солнца Луна приходит с запада и, как облачко, закрывает Солнце. Уровень затмения в разных местах (городах) бывает различным. Но размер Луны, закрывающей Солнце, – маленький, а размер Земли, за-крывающей Луну, – большой». Подумайте, насколько правильны были эти выводы Беруни. В вопросах и ответах переписки между Беруни и Авиценной о преломлении света имеется следующее. Беруни спра-шивает: «Если круглый, прозрачный стеклянный сосуд наполнить чи-стой водой, он обжигает, выполняет роль линзы. Если вылить воду и наполнить воздухом, то не обжигает и не собирает лучи Солнца. По-чему так происходит?» Авиценна отвечает: «Конечно, вода – плотное, тяжелое, прозрачное вещество, в ее основе лежит цвет. От всех тел с такими свойствами свет отражается (преломляется). Поэтому от круг-лого, заполненного водой сосуда свет отражается. У собираемых лу-чей мощность увеличивается. Но в воздухе луч не сильно преломляет-ся, так как воздух – неплотный и прозрачный». Насколько эти выводы правильные, рассмотрим, когда будем говорить о линзе.

О зрении и о причинах зрения Беруни задал Авиценне такой во-прос: «Лучом зрения познавать – видеть то, что находится под водой, а ведь яркость луча зрения отражается (преломляется) от прозрачных предметов? Ведь поверхность воды гладкая и блестящая».

Взгляды Беруни и Авиценны на световые явления

Ибн СиноАвиценна


140140

Впоследствии Авиценна уточняет в своих трудах «Физика» и «Ка-нон медицины»: «Если глаза излучают свет, освещают предметы и, как результат, мы видим предметы, то почему мы не видим ночью? Неужели света, излучаемого глазами, достаточно, чтобы освещать весь мир?». Говоря так, он опровергает выводы Платона. Авиценна, наоборот, объясняет, что основная причина зрения – это результат того, что лучи, идущие от предметов, попадают в глаз, преломляются в хрусталике, а затем создают изображение на сет чатке.

Авиценна правильно объясняет появление радуги на небе после дождя расщеплением солнечных лучей на цветные лучи при прохож-дении их через облака в атмосфере. Радуга имеет вид дуги, так как атмосфера Земли шарообразная.

Таким образом, мыслители Востока объясняли световые явления, опираясь не на различные легенды, а на свои научные наблюдения.

Возьмите шарообразную колбу, наполните водой и понаблю-дайте ее свойство собирать солнечные лучи.

1. Как видит человек?2. Подумайте, насколько верны были представления Беруни и Авиценны о световых явлениях.

• В Центральной Америке есть рыба Анаблинс. Она, кажется, видит одинаково в воде и на суше, так как, когда она плавает в воде, то половина ее больших глаз находится под водой, а другая половина – над водой.

141

ТЕМА 48

ПЛОСКОЕ ЗЕРКАЛО

Нет человека, который не смотрел бы в зеркало. Что мы видим, когда смотрим в зеркало? В зеркале мы видим собственное отраже-ние и окружающие нас предметы. Изображение предмета в плоском зеркале равно по размеру самому предмету. Если мы приближаемся к зеркалу, изображение тоже приближается, если удаляемся, изображе-ние тоже удаляется. Значит, изображение получается не на поверхно-сти зеркала, а за зеркалом. В чем причина этого? Стеклянная пласти-на, покрытая с одной стороны серебром, называется зеркалом.

Свет, отраженный от предметов и вещей, падает на зеркало и от-ражается от серебряного покрытия. Исполь-зуя закон отражения, рассмотрим построение изображения в плоском зеркале (рис. 102). Для построения изображения направим два луча от предмета к зеркалу. Эти лучи в соот-ветствии с законом отражения отразятся от поверхности зеркала. Если продолжить отра-женные лучи в противоположном направлении, изображение предме-та будет за зеркалом. Если теперь измерить расстояние от изображе-ния до зеркала и от зеркала до предмета, то они будут равны.

Если к своему изображению в зеркале мы протянем правую руку, изображение протянет нам левую руку. Значит, в плоском зеркале левая сторона меняется с правой. Предмет в зеркале не излучает. Поэтому изо-бражение называется мнимым. Таким образом, изображение предмета в плоском зеркале мнимое, прямое, равно по размеру предмету: на каком расстоянии предмет будет от зеркала, на таком же расстоянии будет он за зеркалом, и левая сторона поменяется с правой.

* Сферические зеркала. Сферическое зеркало представляет собой часть шарового сегмента. Оно бывает двух видов: вогнутое и выпук-лое. У вогнутых зеркал луч отражается от внутренней поверхности сферы, у выпуклых – от внешней поверхности сферы.

Плоское зеркало

Рис. 102


142142

Если направить лучи Солнца в вогнутое зеркало, они собираются в одной точке (рис. 102, a). Эта точка располагается на главной опти-ческой оси вогнутого зеркала и называется фокусом. Расстояние от центра зеркала до точки F называется фокусным расстоянием.

Солнечные лучи, падающие на выпуклое зеркало, рассеиваются (рис. 102, б). Если мысленно продолжить рассеянные лучи, они пе-ресекутся в точке F. Она называется мнимым фокусом. OD – радиус кривизны зеркала, OF – фокусное расстояние зеркала. OF = .

a) б)Рис. 103

Если источник света расположить в фокусе вогнутой линзы, то от-раженные от зеркала лучи будут параллельны главной оптической оси зеркала. Для построения изображения в зеркалах достаточно вы-брать два луча, выходящих из предмета. На рис. 104 приведен при-мер построения изображения горящей свечи.

На рис. 104 предмет расположен за двойным фокусом 2F от зер-кала. Направим луч 1 параллельно главной оптической оси, луч 2 на-правим на главный фокус F. Эти лучи отразятся от зеркала, и в точке их пересечения будет изображение свечи. Изображение будет обрат-ное, уменьшенное и действительное.

Если предмет расположен между двойным фокусом 2F и фокусом F (рис. 105), изображение и в этом случае построим с помощью лучей 1 и 2. Изображение будет обратное, увеличенное и действительное. Если

143

предмет расположится на двойном фокус-ном расстоянии 2F от зеркала, изображение совпадет с предметом. На рис. 106 приведе-на схема построения изображения на выпук-лом зеркале. Изображение будет прямым, уменьшенным и мнимым.

Расчеты показывают, что между расстоя-нием d – от предмета до центра зеркала, расстоянием f – от изображе-ния до центра зеркала и фокусным расстоянием F существует связь:

В вогнутых зеркалах расстояния d и F всегда положительные. Зна-чение расстояния f для действительного изображения положительное, для мнимого изображения – отрицательное.

Сферические зеркала находят широкое применение в повседневной жизни и технике. Выпуклое зеркало устанавливается в автомобилях для заднего обзора, так как в нем можно увидеть больше простран-ства, чем в плоском зеркале. Вогнутые зеркала обладают свойством собирать лучи, и поэтому они используются в прожекторах, автомо-бильных фарах и ручных фонариках.

1. Как вы объясните понятие «мнимое изображение»?2. Как на практике определить фокус сферических зеркал?3. Совпадают ли центр сферической поверхности и фокус зеркала?4. Где надо расположить предмет, чтобы в вогнутом зеркале получить увеличенное изображение?

Плоское зеркало

Рис. 104 Рис. 105

Рис. 106

F


144144

Пример решения задач.Задача 1. Человек приближается к зеркалу со скоростью 1 м/с. С

какой скоростью его изображение приближается к зеркалу?Д а н о : Ф о р м у л а и р е ш е н и е :

υ1 = 1 м с

Требуется найтиυ2 = ?

υ1 υ2 Насколько человек приблизит-ся к зеркалу, настолько и при-близится к зеркалу его изо-бражение. Значит, υ1 = υ2.

Ответ: 1 м с .

Упражнение 9.1. Постройте изображение, в случае когда предмет расположен на

расстоянии 2F от сферического зеркала.2. Предмет располагается от вогнутого зеркала на расстоянии

250 см. Фокусное расстояние зеркала 245 см. Найдите расстояние от зеркала до изображения. (Ответ: ≈ 124 см).

3. На плоское зеркало луч падает под углом α. Если повернуть зерка-ло на угол β, на какой угол повернется отраженный луч? (Ответ: 2β).

4. Два плоских зеркала установлены параллельно. Если между ними расположить предмет, сколько изображений будет в зеркалах? (Ответ: 2).

5*. На каком расстоянии от лица человек должен держать выпуклое зеркало диаметром 5 см, чтобы полностью увидеть в нем свое лицо? Фокусное расстояние зеркала 7,5 см, длина лица 20 см. (Ответ: 0,45 м).

ТЕМА 49

СВЕДЕНИЯ О ЛИНЗАХМы рассмотрели преломление света на границе двух сред. На практи-

ке широко используют преломление света на сферических поверх ностях. Прозрачное тело, ограниченное с двух или с одной стороны сфери-ческими поверхностями, называют линзой. Обычно линзы изготав-ливаются из стекла. Если центральная часть линзы толще, чем ее края, то такая линза называется выпуклой, а если центральная часть тоньше,

145

чем края, – вогнутой. Прямую, проведенную через центры сферических поверхностей О1 и О2, называют главной оптической осью линзы (рис. 107). Точка, находящаяся в центре линзы и лежащая на оптической оси, называется оптическим центром линзы. Свет по-разному проходит че-рез выпуклые и вогнутые линзы. Возьмем выпуклую линзу и располо-жим ее перпендикулярно солнечным лучам. Направим прошедший через линзу луч на листок. Передвигая линзу добьемся, чтобы лучи собрались в одну точку, из которой через некоторое время появится дымок. Значит, прошедшие через линзу лучи собираются в одной точке (рис. 108). Эта точка называется фокусом линзы (F). Расстояние от оптического цен-тра линзы до фокуса называют фокусным расстоянием линзы. Если на линзу в обратном направлении направить параллельные лучи, то они со-берутся на второй стороне линзы. Отсюда следует, что любая линза с обеих сторон имеет по одному фокусу.

Если провести такой опыт с вогнутой линзой, лучи, наоборот, рас-сеются (рис. 109). Если мысленно продолжить рассеянные лучи, то они соберутся на оптической оси в точке F. Фокус вогнутой линзы мни-мый. Поэтому выпуклые линзы называют собирающими, а вогнутые – рассеивающими.

Одна сторона линзы может быть сферической, а другая плоской. Возьмем выпуклую линзу и через нее направим свет от лампочки на стол. Двигая линзу вверх-вниз, увидим, что на столе получается отчет-ливое изображение спирали лампочки. Изображение при помощи линз строится следующим образом:

1. Построение изображения в выпуклой линзе. Предмет АВ рас-полагается между двойным фокусом 2F и фокусом F (рис. 110). Для построения изображения луч 1 направим параллельно главной опти-

Рис. 107 Рис. 108 Рис. 109

Сведения о линзах



146146

ческой оси. После линзы он проходит через фокус. Второй луч 2 направим через оптический центр О линзы. Луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется. Оба луча пересекаются в точке А′, и получается изображение. Изображение действи-тельное, обрат ное и увеличенное.Если предмет расположить за

двойным фокусом 2F (рис. 111) и меж-ду OF (рис. 112), полученное изобра-жение строится таким же образом.

Из рисунков видно, что в зависи-мости от того, где располагается пред-мет, изображение получается прямым

или обратным. Если предмет располагается за двойным фокусом 2F, изображение получается действительным, обратным и уменьшенным.

Если предмет располагается между ОF, то изображение получается мнимым, прямым и увеличенным.

* 2. Построение изображения в вогнутой линзе. На рис. 113 при-водится построение изображения в вогнутой линзе. Здесь независимо от того, где располагается предмет, изображение получится мнимым, прямым и уменьшенным.

Если предмет расположить в определенном интервале, то в выпу-клой линзе изображение будет увеличенным. Этим свойством поль-зуются для увеличения рассматриваемого предмета. Выпуклая линза, используемая для этих целей, называется лупой. Из рис. 110 видно, что чем меньше фокусное расстояние (OF) линзы, тем сильнее откло-

Рис. 113

Рис. 110 Рис. 111

Рис. 112

147

няется луч 1, проходящий через ее фокус, и тем больше получается изображение. Поэтому увеличение лупы оценивается ее фокусным расстоянием. Величина, обратная фокусному расстоянию, называ-ется оптической силой линзы и выражается формулой:

Если F = 1 м, то D = 1 м = 1 диоптрия.

Сокращенно D = 1 дптр.Для вогнутой линзы D имеет отрицательное значение.

С помощью собирающей линзы, очков – соберите солнечные лучи в одну точку и определите фокусное расстояние.

1. Где используются линзы?2. Какое получится изображение, если предмет поместить в фокусе выпук-лой линзы?

3. Как меняется оптическая сила линзы, если ее полностью опустить в воду?

• Можно ли при помощи льда зажечь костер? На первый взгляд кажется – никак нельзя. Но, изучив свойства линз, можно найти такой способ. В романе французского писате-

ля Жюля Верна «Путешествие капитана Гаттераса» рассказывается о том, как замерзшие путешественники при помощи топора и ножа из большого куска прозрачного льда изготовили линзу, собрали с ее помощью солнечные лучи в фокус и развели костер. Действительно, в 1763 году в Англии много раз повторяли этот опыт. Вы сами мо-жете это сделать. В похожий на линзу сосуд наливают воду и замо-раживают ее, затем сосуд слегка нагревают, линза отделяется.

ТЕМА 50

РАЗЛОЖЕНИЕ СВЕТА НА СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПРИ ПОМОЩИ СТЕКЛЯННОЙ ПРИЗМЫ. РАДУГА

Каждый из вас весной после дождя наблюдал на небе радугу. Час-то радуга бывает двойная и в народе ее называют Хасан-Хусан. Ра-дугу можно наблюдать, когда поливаешь двор водой из шланга. Если

Разложение света на составляющие при помощи стеклянной призмы. Радуга


148148

вы будете идти в сторону радуги, она будет от вас удаляться и, нако-нец, исчезнет.

Первым исследовал разнообразие световых лучей Ньютон в 1666 году. По этому случаю Ньютон написал следующее: «Я в 1666 году (при полировке оптического стекла, не имеющего сферической фор-мы) для исследования цвета световых лучей использовал треуголь-ную призму. Для этого я затемнил комнату и для прохождения сол-нечных лучей оставил узкую щель. Призму расположил таким обра-зом, чтобы проходящие через нее лучи падали на противоположную стену. Я получил большое удовлетворение, увидев на стене живые цвета». Этот опыт вы сами можете повторить.

Для этого луч света, идущий от Солнца или электрической лам-почки, направляют на треугольную призму. Падающий на призму белый свет разлагается на семь цветов (рис. 114). Порядок располо-жения цветов следующий: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Изображение, состоящее из семи цветов, называют спектром. Выходящий из призмы луч не только имеет цвет, но и рассеивается по сравнению с входящим. Чтобы вы-яснить причину этого явления, оставим видимым только один луч, выходящий из призмы, остальные прикроем. На пути оставленного

Рис. 114

149

луча поместим призму. Измерив отклонение прошедших через при-зму лучей, увидим, что лучи разных цветов отклоняются на раз-личные углы. Самое большое отклонение имеет фиолетовый луч, а самое маленькое отклонение имеет луч красного цвета. Если с по-мощью второй призмы собрать все пучки спектра, то опять полу-чится белый свет. Этим Ньютон доказал, что идущий от Солнца бе-лый свет состоит из смеси различных цветных лучей, сложенных в различной пропорции и действительно, в дальнейшем Юнг получил белый свет, сложив не семь, а всего три цвета: красный, голубой, зеленый. Если эти три цвета складывать в различной пропорции, то можно получить все остальные цвета. В современных цветных теле-визорах все цвета получают при сложении этих трех цветов. Пред-меты имеют разный цвет от того, что в падающем на них свете они один цвет поглощают, а другой – отражают. Например, красный шар отражает только красный цвет, остальные поглощает. Черное тело поглощает практически все падающие на него цвета, а белое – все отражает.

Значит, радуга образуется от того, что лучи отражаются и пре-ломляются от дождевых капель, как от призмы.

Аристотель считал, что радуга состоит из трех цветов: красный, зеленый, фиолетовый. Ньютон же сначала выделил пять цветов в радуге: красный, желтый, зеленый, синий, фиолетовый. Позднее он считал, что имеется десять цветов, затем остановился на семи цве-тах. В действительности если внимательно смотреть на радугу, цве-та разделены друг от друга не четко. Цифра семь принята условно, т.к. это имеет определенное значение. Семь чудес света, семь сло-ев неба, семь дней недели и т.д. После грозы радуга бывает яркой, а после слабого дождя тусклой. Чем ниже солнце к горизонту, тем больше размеры радуги.

1. Можно ли со всех сторон фонтана наблюдать радугу?2. Что будет видно на экране, если на призму направить луч одного цвета?3. Подумайте, почему небо голубое и почему при заходе и восходе Солнца небо окрашивается в красный цвет?

Разложение света на составляющие при помощи стеклянной призмы. Радуга


150150

• Расположение цветных полос в спектре можно узнать, если вспомнить фразу: «Каждый охотник желает знать, где сидят фазаны». Начальная буква каждого слова этой фразы совпа-

дает с начальной буквой цвета. К – красный; О – оранжевый; Ж – жел-тый; З – зеленый; Г – голубой; С – синий; Ф – фиолетовый.

ТЕМА 51

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ИЗУЧЕНИЕ ОТРАЖЕНИЯСВЕТА С ПОМОЩЬЮ ПЛОСКОГО ЗЕРКАЛА

Необходимые принадлежности. Оптический диск с добавленным плоским зеркалом, «световая указка» или рассчитанная на напряже-ние 3–6 вольт электрическая лампочка накаливания, белая плотная бумага размером 160×200 мм.

Выполнение работы.

1. Соберите устройство, представленное на рис. 115. в середине оптического диска установите плоское зер-кало.

2. На краю оптического диска закрепите «световую указку» (или электрическую лампочку накаливания), направь те на него луч.

3. Измените угол падения и определите соответ-ствующий ему угол отражения. Результаты запишите на школьной доске.

4. Проверьте равенство угла падения и угла отражения.5. Белая плотная бумага устанавливается в оптический диск со

стороны отражаемого луча, при этом на бумаге будет виден отражен-ный луч. Если слегка повернуть бумагу, можно увидеть начало отра-женного луча. Из этого явления сделайте выводы.

6. Установите «световую указку» с левой стороны оптического диска и повторите опыт.

Рис. 115

151

1. Как соотносится угол падения с углом отражения?2. Как располагается отраженный луч по отношению к падающему? Находят-ся эти лучи на одной плоскости или нет?

ТЕМА 52

ИЗУЧЕНИЕ РАЗЛОЖЕНИЯ СВЕТА НА СПЕКТР ПРИ ПОМОЩИ СТЕКЛЯННОЙ ПРИЗМЫ

Необходимые принадлежности. Проекционный аппарат (устрой-ство, имеющее внутри электрическую лампу накаливания и оптиче-скую систему для фокусирования света), призмы, изготовленные из разных стекол, переносной экран.

Выполнение работы.1. Соберите устройство, представленное на рис. 116.

Рис. 116

2. Включите проекционный аппарат, и направьте узкий луч света на призму (для этого луч из проекционного аппарата пропускают че-рез узкую щель).

3. Поворачивая призму, создайте на переносном экране четкое изо-бражение спектра. На экране измерьте ширину спектра.

4. Повторите опыт с другой призмой.5. Изучите зависимость ширины спектра от вида стекла призмы и

от ширины основания призмы. Результаты запишите на доске.

Изучение разложения света на спектры при помощи стеклянной призмы


152152

1. Как зависит угол поворота лучей, выходящих из призмы, от цвета луча?2. Каков порядок расположения лучей в спектре?3. Почему ширина спектра зависит от ширины основания призмы?

Примеры решения задач.

Задача 1. На рис. 117 показан падающий на вогнутое зеркало луч. В каком промежутке ле-жит отраженный луч? M – центр зеркала, F – фокус зеркала.

Р е ш е н и е . В вогнутых зеркалах луч, иду-щий параллельно главной оптической оси, по-сле отражения от зеркала проходит через фо-кус. Если луч приходит с расстояния больше-го, чем центр зеркала, то он после отражения проходит между точками М и F.

Задача 2. Два точечных источника света, ма-ленький шарик и экран располагаются, как по-казано на рис. 118, а. Покажите, как на экране образуется тень и полутень от шарика.

Р е ш е н и е . Решение задачи можно пока-зать, начертив схему хода лучей. В области А на экране будет тень, а в области В – полутень (рис. 118, б).

Задача 3. В вогнутом зеркале с фокусным расстоянием 20 см изо-бражение свечи появилось на расстоянии f = 30 см. Найдите расстоя-ние между зеркалами и свечой?

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :F = 20 cмf = 30 см

Увеличение лупы

м

d = 60 см.Ответ: 60 см.

Требуется найти:d = ?

Рис. 117

a)

б)

Рис. 118

BAB

153

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ V1. Какие источники из приведенных ниже являются естественными ис-

точниками света? 1. Луна. 2. Солнце. 3. Звезды. 4. Электрическая лампочка. 5. Золотой

жук. 6. Настольная лампа.A) 1, 2, 3. B) 4, 5, 6. C) 2, 3, 5. D) Все.

2. Свет, излученный источником S, через препятствие T попадает на экран. Которые из точек A, B и C окажутся в тени?A) Точка A.B) Точка C. C) Точка B.D) Точки A и C.

3. Луч какого цвета отклонится на больший угол после треугольной призмы?A) Фиолетовый. B) Зеленый. C) Красный. D) Синий.

4. Если зеркало повернуть на угол α, на какой угол повернется отражен-ный от зеркала луч?A) α. B) 2α. C) . D) .

5. Если предмет находится на расстоянии большем, чем 2F, каким будет полученное изображение? F – фокусное расстояние.A) Действительное, уменьшенное, обратное.B) Действительное, уменьшенное, прямое.C) Мнимое, увеличенное, обратное.D) Мнимое, уменьшенное, обратное.

6. Если смотреть на зеркала K и L, какие из пред-метов, расположенных в точках 1, 2 и 3, можно увидеть в обоих зеркалах?A) Только 1.B) Только 2.C) Только 3.D) 1 и 3.

7. Какие цвета нужно смешать в определенной пропорции, чтобы получить белый свет?A) Голубой, зеленый, фиолетовый. B) Зеленый, красный, голубой.C) Желтый, синий, фиолетовый. D) Оранжевый, голубой, зеленый.

Контрольные вопросы к главе V


154154

8. В какой области получится изображение предмета АВ?

A) Между OF.B) Между F и 2F.C) Дальше 2F.D) В точке 2F.

9. Которая из приведенных линз собирающая?A) 1, 2.B) 2, 3.C) 3, 4.D) 4, 5.

10. Человек стоит перед плоским зеркалом. Как изменится расстояние между человеком и его изображением, если он приблизится к зеркалу на 1 м?A) На 2 м уменьшится. B) На 1 м уменьшится.C) Увеличится на 2 м. D) Увеличится на 1 м.

11. Свет перешел из воздуха в стекло, из стекла в воду. Как изменится ско-рость света?A) При переходе из воздуха в стекло увеличится, а при переходе из

стекла в воду уменьшится.B) При переходе из воздуха в стекло уменьшится, а при переходе из

стекла в воду увеличится.C) При переходе из воздуха в стекло уменьшится, а при переходе из

стекла в воду не меняется.D) При переходе из воздуха в стекло и из стекла в воду уменьшится.

12. Если на предмет из красного стекла смотреть через стекло зеленого цвета, какого цвета будет предмет?A) Зеленый. B) Красный. C) Темно-желтый. D) Черный.

13. Фокусное расстояние линзы 4 см. Скольким диоптриям равна оптиче-ская сила линзы?A) 25. B) 4. C) 0,4. D) 0,25.

14. * На каком расстоянии (d) нужно расположить предмет от линзы с фокус-ным расстоянием F, чтобы можно было использовать ее в качестве лупы.A) d > 2F. B) F < d < 2F. C) d = F. D) d < F.

155



В нижеприведенной таблице вы ознакомитесь с кратким содержа-нием тем, изложенных в главе V.Источники

светаТак называются тела, излучающие свет. Условно делятся на есте-ственные и искусственные.

Приемники света

Тела, работающие под воздействием света. Фотопленка, фотобума-га, видеокамера, солнечные батареи и др.

Распростра-нение света

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямоли-нейно. Линия распространения света называется лучом света.

Закон пре-ломления света

1

2

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным к плоскости в точке падения, на-зывается углом падения α, угол между отражен-ным лучом и перпендикуляром называется углом отражения γ. Угол падения равен углу отражения.

Преломле-ние света 1

2

Угол между преломленным лучом и перпендикуля-ром, восстановленным из точки падения луча, назы-вают углом преломления β. При переходе луча из среды с большей скоростью света в среду с меньшей скоростью света угол преломления будет меньше угла падения.

Тень и полутень

S T

Из-за прямолинейного распространения све-та область за предметом, куда не попадает свет, называется тенью, а область, куда свет попадает частично, называется полутенью.

Затмение Солнца

Земля

Луна


СолнцеАВВ

Явление, когда Луна находится меж-ду Солнцем и Землей. Луна закрыва-ет лучи, идущие от Солнца к Земле. В зависимости от местоположения наблюдателя на Земле наблюдается полное или частичное затмение.

Затмение Луны Солнце

Земля

Луна


Явление, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Земная тень падает на Луну


156156


Скорость света

Путь, пройденный светом в однородной среде за 1 сек. Скорость света в вакууме равна υ=300000 км/с. В остальных средах она меньше. В природе ни одно тело или частица не может двигаться со скоростью, равной или превышающий скорость света. Скорость света впервые измерена датским ученым О. Рёмером в 1676 г.

Зеркало Стеклянная пластина, покрытая с одной стороны серебром. В зави-симости от формы пластины различают плоские, выпуклые и во-гнутые зеркала. Изображение предмета в плоском зеркале бывает мнимое, прямое, равное по размерам предмету, находится оно на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом, правое и левое меняются местами.

Построе-ние изо-бражения в сферичес-ком зеркале

1

22F F O

d f

Для построения изображения достаточ-но два луча:• от конца предмета до фокуса зеркала;• направленный от конца предмета парал-лельно главной оптической оси и после от-ражения проходящий через фокус зеркала.

Линза Прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими по-верхностями. Виды линз: выпуклая (собирающая), вогнутая (рассе-ивающая). Расстояние от фокуса до оптического центра линзы на-зывают фокусным расстоянием (F) линзы. – оптическая сила линзы. D = 1

м = 1 дптр (диоптрия).

Построение изображе-ний в линзе

Для построения изображения достаточ-но два луча:• от конца предмета до центра линзы;• направленный от конца предмета парал-лельно главной оптической оси, после лин-зы преломляется (в собирающей линзе), по-сле преломления он проходит через глав-ный фокус линзы (в рассеивающей линзе).

Оптические приборы

Проекционный аппарат.

Спектр испускания

Разложение белого света после прохождения через треугольную призму на цветные лучи. Состоит из 7 цветов: красный, оранже-вый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

– источники и приемники звука;

– распространение звукав различных средах;

– звуковые величины;– отражение звука, эхо;– использование звука

в технике;– музыкальные звуки

и инструменты;– звук и здоровье;– архитектурная акустика.

VIГЛАВА

ЗВУКОВЫЕЯВЛЕНИЯ

Глава VI. Звуковые явления

158158


Мы всегда находимся под влиянием различных звуков: разгово-ра людей, шума машин, музыки, распространяющейся от радиолы и телевизора, журчания воды и т.д. Некоторые из них нам нравятся, а некоторые – нет. От звуков улучшается наше настроение, мы пло-дотворно работаем, учимся или наоборот. Посредством звука люди общаются друг с другом. В процессе общения развивается обще-ство. Человек давно научился пользоваться звуками. Изучив законы звука, он изготовил различные музыкальные инструменты. Изобрел электромузыкальные инструменты, создающие искусственный звук. Вы не раз на концертах слышали, как музыканты пользуются таки-ми инструментами. В медицине для выявления болезни и ее лечения используют разновидность звука, называемую ультразвуком. Ультра-звук используют и в научно-исследовательских целях для определе-ния качества готовой продукции, для определения глубины морей и океанов и т.д. Для ускорения некоторых химических процессов, для очистки мелких и хрупких частей машин и механизмов используется звук с большой мощностью.

ТЕМА 53

ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ЗВУКА

Для того чтобы узнать, как образуется звук, проведем следую-щий эксперимент (рис. 119). Возьмем линейку, положим ее на стол, выставив один конец за край стола. Второй конец придавим рукой,

как показано на рисунке. Если теперь надавить на выступающий конец и от-пустить, то увидим, что конец линейки начнет колебаться. Создается ли при этом звук? Укоротим выступающую часть линейки и продолжим экспери-Рис. 119

159

мент. Мы услышим звук. Если мы будем укорачивать колеблющуюся часть линейки, звук будет слышен все более отчетливо.

Значит, у всех источников звука должно что-то колебаться. Дей-ствительно, если на динамик, как показано на рис. 120, положить мелкие кусочки пробки, пластмассовые шарики или пульки от игру-шечного пистолета, то эти предметы начинают подпрыгивать, когда динамик испускает звук.

Почему мы не слышали звука колеблющейся длинной линейки? Для того чтобы в этом разобраться, введем величины и понятия, ха-рактеризующие колебания.

1. Колебаниями называются процессы, многократно повторяю-щиеся через определенные промежутки времени.

2. Число полных колебаний, совершаемых за одну секунду, на-зывают частотой колебаний. Частота обозначается буквой v. Еди-ницей частоты колебаний служит герц (Гц). Герц равен частоте, при которой за 1 сек совершается 1 колебание: 1 Гц = 1 кол

1 сек .Человеческое ухо воспринимает звуки частотой от 16 до 20000 Гц.

Звук частотой меньше 16 Гц называется инфразвуком, а частотой выше 20000 Гц – ультразвуком.

Камертоном называется прибор, издающий одну звуковую ча-стоту (рис. 121). Камертон был изобретен английским музыкантом Дж. Шером в 1711 году и используется для настройки музыкальных инструментов. Камертон – изогнутый металлический стержень, за-крепленный посередине на держателе (ножке). Чтобы удостовериться,

Рис. 120 Рис. 121

Источники и приемники звука


160160

колеблется камертон или нет, поднесем к нему маленький шарик, ви-сящий на нитке. При звучании камертона шарик будет отскакивать от ножки камертона. Чтобы усилить звук, камертон устанавливают на деревянный ящик, открытый с одной стороны. Этот ящик называется резонатором. Поэтому под струнами таких музыкальных инструмен-тов, как рубаб, тар, дутар, танбур натягивают тонкую пленку. Челове-ческий рот тоже похож на камертон. Если язык – это колеблющееся тело, то полость рта и гортань выполняют роль резонатора.

К приемникам звука, в первую очередь, относится человеческое ухо. Внутри человеческого уха имеется барабанная перепонка, при попадании звука она колеблется, и это колебание в виде сигналов пе-редается в мозг. Человеческое ухо по-разному чувствует звук. Ухо у молодых и пожилых людей слышит не одинаково. Точно также раз-личен и диапазон воспринимаемых частот у животных. Бабочки, со-баки, мошки и летучие мыши воспринимают ультразвук. Дельфин воспринимает ультразвук частотой до 200 кГц.

Для приема звука созданы специальные микрофоны. Слово «ми-крофон» взято из греческого языка и состоит из двух слов «ми-крос» – маленький и «фон» – звук. В микрофоне звуковые колебания преобразуются в электрические, а затем усиливаются специальными усилителями.

Подумайте, как образуется звук в карнаях и сурнаях.

1. Почему уменьшается чувствительность уха у людей, постоянно слушаю-щих громкую музыку или аудиоплейер?

2. Какие явления в природе происходят вместе со звуком?

• Инфразвук частотой 7–9 Гц пагубно влияет на здоровье лю-дей. Он приводит к головной боли и тошноте. При длитель-

ном воздействии возможен летальный исход. Наблюдался такой слу-чай. В одном из столичных театров показывали трагедию. Во время

161

спектакля должен был играть орган. Чтобы усилить воздействие на зрителей, механик немного изменил трубу органа. После начала спек-такля заиграл орган, и у людей начало появляться чувство страха. В результате люди сначала поодиночке, затем массово стали покидать театр. При проверке оказалось, что орган стал излучать инфразвук. В настоящее время действие инфразвука на здоровье людей изучено, и необходимо проверять, имеется ли инфразвук у источников звука.

ТЕМА 54

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Для изучения распространения звука Роберт Бойль в 1660 году провел такой эксперимент. Он поместил часы под стеклянный коло-кол. Звук от часов был свободно слышен (рис. 122). После этого стали откачивать воздух из-под колокола. Звук от часов начал ослабевать и затем перестал быть слышимым. Значит, для распространения звука нужна среда. В вакууме для передачи звука ничего нет. Как же рас-пространяется звук? При колебании ножек камертона воздух около него с одной стороны сжимается, с другой стороны создается разря-жение. Затем сжатие и разряжение частичками воздуха распространя-ется вокруг.

1. Распространение звука в газах. Наверное, вы обратили вни-мание на то, что на стадионах звук от радиодинамиков, располо-женных в разных местах, слышится не одновременно, а друг за другом. Сначала мы видим свет ракетницы, а затем слы-шим звук. Во время грозы после вспышки молнии лишь через некоторое время мы слышим раскаты грома. Значит, скорость распространения звука намного меньше скорости света. Впервые скорость рас-пространения звука была измерена в 1636

Распространение звука в различных средах

Рис. 12211 – Физика, 6 класс


162162

году французским ученым М. Мерсеном. При 20°С скорость звука в воздухе равна 343 м/с или 1235 км/час. Это примерно в два раза меньше, чем скорость ружейной пули. Скорость звука растет с по-вышением температуры воздуха. Так, при 10°С она равна 337,3 м/с, при 0°С – 331,5 м/с, при 30°С – 348,9 м/с и при 50°С – 360,3 м/с. В таблице даны скорости звука при 0°С для различных газов, жидко-стей и твердых тел.

2. Распространение звука в жидкостях. Так как плотность жидкости больше, чем плотность газов, то скорость распростра-нения звука в них больше, чем в газах. Скорость распростране-ния звука в воде впервые измерили Дж. Колладон и Й. Штурт в 1827 году на Женевском озере в Швейцарии. При температуре 8°С скорость звука в воде равна 1440 м/с. Некоторые среди вас, наверное, во время купания слышали звук от удара двух камней под водой. Находясь вне воды, мы не слышим звуки, распростра-няющиеся в воде. Поэтому раньше люди думали, что рыбы не из-дают звуков. Выражение «нем, как рыба» неверно. На самом деле и рыбы, и киты, и дельфины издают звуки и общаются друг с другом. 99,9% звука, издаваемого в воде, отражается поверхно-стью воды. Точно также звук, издаваемый в воздухе, не проника-ет в воду.

3. Распространение звука в твердых телах. Чтобы изучить это, сделаем игрушечный телефон. Возьмем две пустые спичечные короб-ки, изготовленные из дерева. В каждую коробку положим по спичке. Возьмем длинную нитку, и, сделав отверстие в коробках, проденем через них нитку. Затем завяжем концы нитки на спичках. Закроем коробку и туго натянем нитку. Телефон готов! Дайте одну коробку товарищу и попросите приложить ее к уху. Возьмите свою коробку, натяните нитку и говорите в коробку, товарищ вас будет слышать. Здесь звук передается через нитку. Если приложить ухо к рельсам, то, не видя самого поезда, можно услышать, что он идет. В кино, на-пример, индейцы узнают о приближении всадников или зверей, при-

163

ложив ухо к земле. Из таблицы видно, что скорость звука в твердых телах самая большая.

Таблица 5

Газы υ, м/с при 0°C Жидкости υ, м/с

при 20°C Твердые тела υ, м/с

Aзот 333,6 Морская вода 1490 Алюминий 6260Kислород 316 Aцетон 1192 Железо 5850Углерод (II) оксид 338 Глицерин 1923 Золото 3240Аргон 319 Ртуть 1451 Медь 4700Xлор 206 Этиловый спирт 1188 Серебро 3620

1. Внимательно послушайте звуки, издаваемые водой в чай-нике от начала нагревания до кипения. Результат обсудите в классе.2. Если есть возможность, запишите свой голос на магнито-фон и прослушайте запись. Узнали ли вы свой голос?

1. Почему у слепых слух более чувствительный?2. В каком случае звук распространяется дальше: в теплую погоду или в хо-лодную? Попробуйте дать объяснение.

ТЕМА 55

ЗВУКОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Звуки бывают громкими и слабыми, высокими и низкими, прият-ными и неприятными. Чем они отличаются друг от друга? Для этого введены специальные величины.

1. Громкость звука. Слегка ударим резиновым молоточком по одно-му из ветвей камертона, изображенного на рис. 121, пусть шарик не ка-сается этой ветви. За счет колебания ветви камертона шарик будет от-клоняться на некоторое расстояние. Ударим молоточком посильнее. Шарик отклоняется на большое расстояние. Наибольшее отклонение ветви камертона называется амплитудой колебания. Чем с большей

Звуковые величины


164164

амплитудой колеблется камертон, тем громче он звучит. Звук обладает энергией. Если энергия зву-ка будет меньше определенной величины, то такой звук человек не слышит. Эта минимальная грани-ца энергии, приходящаяся на 1 м2, определена как 0,000001 мкВт. Если энергия звука, приходящаяся на 1 м2, приближается к 1 Вт/м2, человек ощуща-ет боль в ушах и колебания не воспринимает как

звук. Громкость звука определяется на основании закона, предложенного немецкими физиками В. Ветерсом и Г. Фехнером. Нижняя граница гром-кости звука определена как бел. Эта величина названа в честь изобрета-теля телефона Г. Белла. Граница болевого ощущения определена как 130 дБ. (1 децибел = 1дБ = 0,1 Б). В соответствии с этим громкость равна: для разговора человека 40 дБ, для обыкновенного шума 80 дБ, а для шума самолета 110–120 дБ. Громкость звука можно увеличивать при помощи механических и электрических устройств. Например, звук, выходящий из рупора, направляется в одну сторону, вследствие чего уменьшается площадь его распространения. Рупор (рис. 123) направляет звук. В ста-рину, когда не было устройств, увеличивающих громкость звука, люди с плохим слухом приставляли такой рупор к уху.

2. Высота звука. Эта величина определяется частотой звука. Из-вестно, когда человек говорит или поет, он производит колебания не одинаковой частоты, а наоборот – различной частоты. У мужчины в голосе встречаются колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, а у жен-щин – от 200 до 9000 Гц. Частота звука барабана литавр находится в диапазоне от 90 до 14000 Гц.

3. Тембр звука. По тембру звука можно определить, кто говорит, кто поет или на каком музыкальном инструменте играют.

Основным тоном v0 сложного звука называется тон, соответствую-щий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, – 2v0, 3v0 и т.д., называются обертонами. Источники звука различаются тембрами, которые определяются количеством обертонов, силой обе-ртонов и их высотой.

Рис. 123

165

В зависимости от основного тона голос мужчин подразделяют-ся на «бас» (80–350 Гц), «баритон» (110–400 Гц), «тенор» (230–520 Гц), голоса женщин – на «сопрано» (260–1050 Гц), «контральто» (170–780 Гц), «меццо-сопрано» (200–900 Гц) и «колоратурное сопра-но» (260–1400 Гц).

Практическое задание (выполняется в классе).Ударьте по камертону сначала резиновым молоточком, затем ручкой молоточка и определите разницу в звучании камертона. Дома это можно выполнить при помощи стеклянных бокалов.

1. Чем отличается громкий крик от визга?2. При настройке рубаба натягивают струны. Какой параметр звука при этом меняется?

3. Ведро наполняется водопроводной водой. Почему по мере наполнения ведра звук слышен сильнее?

• Точно так, как белый свет разложили на семь цветов, звуко-вой тон тоже разделили на семь звуков: до-ре-ми-фа-соль-ля-

си. Яркость цветов, сила звука оцениваются человеческим глазом и слухом субъективно. Научное разделение звуков на тоны приписы-вают Пифагору. Его ученики изготовили инструмент под названи-ем «монохорд», состоящий из одной струны, натянутой на кедровую основу. Если натянуть и отпустить струну, она испускает звук одного тона. Если укоротить длину струны в два раза (прижав за середину), испускаемый звук будет более высокого тона. Таким образом была найдена закономерность, определяющая музыкальный тон длиной струны.

• Среди животных самые большие уши у слона. Многие думают, что в соответствии с этим слух у слона самый сильный. На самом деле уши у слона служат для поддержания постоянной температуры тела. Кровь, протекающая по сосудам ушей, охлаждается. Поэтому слон в жаркий день постоянно машет ушами.

Звуковые величины


166166

ТЕМА 56

ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА. ЭХО

Мы видели, что при прохождении света из одной среды в дру-гую, он частично отражается, а частично проходит в другую среду. Также и звук, переходя из одной среды в другую, отражается от раз-деляющей их поверхности. В этом можно убедиться, если говорить в пустую бочку или трубку. Многие замечали усиление звука, когда говорят в новом доме или в пустом спортивном зале. Вы, наверное, обратили внимание на звонкие голоса при теле- и радиопередачах из закрытых спортивных сооружений. Причина этого – отражение звука от гладких стен. Если стена находится на расстоянии более 20 м, отраженный звук слышится чуть позже, чем звук от источни-ка. Этот отраженный звук называется эхом. Если издать звук между параллельными стенами или в ущелье, эхо многократно повторяет-ся. Эхо образуется не только при отражении звука от твердых пред-метов. Например, при вспышке одной молнии мы наблюдаем, что гром гремит многократно. Первый раскат грома самый сильный, а остальные постепенно ослабевают. Причина этого в том, что звук грома многократно отражается от гор, лесов, зданий и облаков.

Отражение звука широко используется в быту и в технике. Например, для опреде-ления глубин морей и океанов, а также для обнаружения подводных лодок используется ультразвук (рис. 124). Для этого на дно моря направляется ультразвук и принимается от-раженный звук. Измеряется время прохож-дения звука t туда и обратно и определяется глубина моря h. Так как звук при этом прохо-дит путь 2h, то 2h = υзв. · t. Отсюда h =

υзв · t 2

. υзв – скорость распространения звука в воде.Рис. 124

167

При помощи звука исследуют металлические слитки на предмет на-личия в них пузырьков воздуха или других веществ. Источник и прием-ник звука перемещаются непосредственно по поверхности слитка. Если слиток имеет одинаковую плотность и однороден, то звук отражается без изменения. Если же в слитке имеются пустоты или другие включе-ния, отраженный звук изменяется. В медицине при помощи ультразвука без вреда для здоровья исследуют внутренние органы человека.

Пример решения задач.Задача 1. Через 3 секунды после молнии услышали гром. Прибли-зительно на каком расстоянии от вас находится грозовое облако?

Д а н о : Ф о р м у л а : Р е ш е н и е :t = 3 с.υзвук = 340 м/с

l = υзв. · tТак как скорость света на-много больше скорости зву-ка, не будем учитывать вре-мя, в течение которого свет доходит до нас.

l = 340 м/с · 3 с = = 1020 м ≈ 1 км.

Ответ: l ≈ 1 км.Требуется найтиl = ?

1. Почему голос лучше слышен в комнате, чем на улице?2. Как под водой могут связываться между собой две подводные лодки?3. Встречали ли вы случаи, когда эхо мешало?4. Почему людям нужны два уха?

• Места наибольшего повторения эха: во дворце Вудсток (Анг-лия) – 17 раз, в развалинах дворца Деренбург вблизи Гальберштад-

та – 27 раз, около Аберсбаха (бывшая Чехословакия) – 7 раз, во дворце около Милана – 40–50 раз. Возникновение эха зависит также от высоты звука. Высокотональные голоса детей и женщин создают больше повто-рений эха, чем мужской голос. Самый удобный звук для эха – это хлопо′к.

• Во многих местах мира построены такие здания, что если в опре-деленном месте говорить шепотом, то в другом месте этот шепот будет слышен очень громко. В соборе Джиргенти, построенном на острове

Отражение звука. Эхо


168168

Сицилия, наблюдалось такое явление, и оно приводило к множеству казусов. Если случайно в одном месте находился кающийся в грехах верующий, то в другом месте собора его слова слышны были всем.

ТЕМА 57

МУЗЫКАЛЬНЫЕ ЗВУКИ И ШУМЫ. ЗВУК И ЗДОРОВЬЕ. АРХИТЕКТУРНАЯ АКУСТИКА

Как было сказано выше, мы живем в мире звуков. О приятном звуке мы говорим, что он музыкальный. Если звук не нравится, мы ощущаем дискомфорт. Голос плачущего ребенка для матери не кажет-ся шумом. Кому-то звук литавр кажется музыкальным, для кого-то будет он только шумом. Поэтому звуки трудно резко разграничить. Вспомним историю о Насреддине. Однажды тот пошел в гости к дру-гу, музыканту. Товарищ долго играл ему на различных музыкальных инструментах и спросил: «Мулла Насреддин, звук какого из этих ин-струментов Вам больше всего понравился?». Насреддин сильно про-голодался и ответил: «По-моему, самый хороший звук – это звук по-ловника при ударе о котел». Различные звуки оказывают различное воздействие на людей. Музыкальные звуки нравятся всем. В музы-кальных инструментах звук образуется следующим образом: колеба-ния столба воздуха (карнай, сурнай, кларнет, флейта, саксофон и т.д.), колебания струны (рубаб, тар, дутар, танбур, скрипка, виолончель, гиджак и т.д.), колебания туго натянутой мембраны (бубен, барабан, литавры и т.д.) и колебания в электрических инструментах.

Частота, высота и тембр испускаемых ими звуков бывают разными. Например, частота звука скрипки около 260–15000 Гц, у кларнета 150–8000 Гц, у литавр 90–14000 Гц. Было изучено влияние музыкальных звуков на птиц и домашних животных. Любая приятная музыка или песня, если она звучит очень громко, превращается в шум. Шум оказы-вает сильное влияние на здоровье и психику людей. Поэтому для пре-дохранения от шума используются шумопоглощающие средства. Для оценки степени поглощения звука материалами и средами введена ве-личина, называемая коэффициентом поглощения звука (α). Коэффици-

169

ент α измеряется отношением энергии поглощенного звука к энергии падающего звука. В следующей таблице приведено значение коэффи-циента α для различных материалов (для звука частотой 500 Гц).

Таблица 6Материал α

Неоштукатуренная кирпичная стена 0,03Бетонная стена 0,02Линолеум (толщиной 0,5 см) 0,03Фанера, набитая на стену 0,06Оконное стекло 0,03Ковер на стене 0,21Стекловата (толщина 9 мм) 0,51

Из-за неблагоприятного влияния шума на здоровье человека при-нимаются меры для его снижения. Например, европейские страны за-претили пролет и посадку в аэропортах самолетов, уровень шума ко-торых превышает определенные нормы.

При проектировании зданий обращают внимание на распростра-нение звука. Отдел науки, изучающий эту проблему, называется ар-хитектурной акустикой. В правильно спроектированных театрах даже шепот на сцене хорошо слышен во всех уголках зрительного зала. Потолок у таких театров устроен подобно пустой скорлупе от яиц. Звук со сцены, отразившись от такого потолка, до любого угол-ка зала проходит один и тот же путь.

В таких залах сиденья, полы покрывают звукопоглощающим мате-риалом.

Сделайте «телефон», о котором рассказывалось в теме 54. Опре делите, при какой длине нити связь достаточная. Обра-тите внимание на качество слышимости в зависимости от на-тяжения нити.

1. При открывании многих дверей мы слышим звук, похожий на звук скрип-ки. Как можно объяснить это?

2. На какую стену в многоэтажных домах полезно повесить ковер?3. Можно ли получить информацию о том, как работает двигатель, слу-шая издаваемый им звук?

Музыкальные звуки и шумы. Звук и здоровье. Архитектурная акустика


170170

Упражнение 10.1. Мальчик, стоящий у скалы, услышал эхо своего голоса через

2 с. Чему равно расстояние от мальчика до скалы? (Ответ: 340 м).2. Используя данные таблицы из темы 54, определите, во сколько раз

быстрее звук тепловоза распространяется по рельсам, чем по воздуху.3. Когда должен запустить секундомер судья, стоящий на конце

беговой дорожки: когда услышит звук стартового пистолета или ког-да увидит вспышку от выстрела?

4. Ультразвук со дна моря глубиной ~1,5 км был принят через 2 с. Чему равна скорость распространения ультразвука в морской воде? (Ответ: 1500 м/с).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ VI1. Как называется любое повторяющееся движение?

A) Звук. B) Колебательное движение.C) Частота колебания. D) Резонатор.

2. В каком ответе правильно указан интервал скорости распространения звука в газах при нормальных условиях?A) 1000–2000 м/с. B) 3000–4000 м/с. C) 300–400 м/c. D) 500–1000 м/c.

3. Что такое камертон?A) Прибор, излучающий звук определенной частоты.B) Духовой музыкальный инструмент.C) Прибор, усиливающий звук.D) Прибор, воспринимающий звук.

4. Назовите единицу измерения интенсивности звука?A) дБ. B) Вт/м2. C) Гц. D) Вт.

5. От чего зависит высота звука?A) От амплитуды. B) От основного тона.C) От числа обертонов. D) От частоты.

6. В каком ряду приведены мужские голоса?A) Бас, баритон, тенор. B) Бас, сопрано, тенор.C) Сопрано, меццо-сопрано, баритон.D) Колоратурное сопрано, меццо-сопрано, контральто.

171

7. Ультразвук вернулся со дна моря через 2,5 с. Чему равна глубина моря? Скорость распространения звука возьмите равной 1500 м/с.A) 1875 м. B) 2550 м. C) 3550 м. D) 3000 м.

8. Количество колебаний в 1 с называется ... Вместо точек поставьте соот-ветствующее слово.A) ...амплитуда колебаний. B) ...высота звука.C) ...тембр звука. D) ...частота.

9. От чего зависит тембр звука?A) От числа обертонов. B) От силы обертонов.C) От высоты звука. D) От частоты звука.

10. Чему равен болевой барьер уха человека?A) 100–110 дБ. B) 130 дБ. C) 150 дБ. D) 180 дБ.

11. В каком ответе правильно указан частотный интервал инфра звука?A) Меньше 16 Гц. B) Выше 20000 Гц.C) 20–20000 Гц. D) 100–2000 Гц.

12. Для определения поглощения звука материалами нужно энергию погло-щенного звука и энергию падающего звука ... Вместо точек поставьте соответствующее слово.A) ...сложить. B) ...разделить.C) ...вычесть. D) ...разделить и умножить на 100%.

13. Пропеллер вентилятора, установленный на потолке, делает 10 оборо-тов в секунду. Звуки какого диапазона излучает установка, на которой установлен пропеллер?A) Музыкальные звуки. B) Ультразвук.C) Инфразвук. D) Шум.

14. Какую функцию выполняет резонатор, установленный в пате фоне?A) Создать звук. B) Увеличить звук.C) Приемник звука. D) Изменить тон.

15. При работе радиоприемника с запада на восток дул ветер со скоростью 25 м/с. Определите скорость распространения звука в этом направлении. Скорость распространения звука в воздухе в состоянии покоя равна 330 м/с.A) 330 м/с. B) 355 м/с. C) 305 м/с. D) 300 м/с.

Контрольные вопросы к главе VI


172172


В нижеприведенной таблице вы ознакомитесь с кратким содержа-нием тем, изложенных в главе VI.

Звук Колебания, распространяющиеся в среде. Частота колебаний в интервале от 16 до 20000 Гц. Если частота звука меньше 16 Гц, он называется инфразвуком, а больше 20000 Гц – ультразвуком. 1 Гц= 1/с.

Камертон Прибор, издающий звук определенной частоты. Изобретен ан-глийским музыкантом Дж. Шором в 1711 г. Имеет вид буквы U.

Резонатор Ящичек, усиливающий звук. В музыкальных инструментах по-крывается тонкой кожей или фанерой.

Микрофон Прибор, преобразующий звуковые колебания в электрические. На-звание состоит из двух слов «микрос» – маленький и «фон» – звук.

Скорость распростра-нения звука

Для распространения звука нужна среда. В газах при температуре 0°C звук распространяется со скоростью 200–350 м/с, в жидкос-тях – 1100–2000 м/с, в твердых телах – 3000–6500 м/с.

Интенсив-ность (гром-кость звука)

Определяется энергией звука, приходящейся на единицу поверх-ности. Также зависит от частоты. Единица измерения – децибел (дБ). Верхний порог болевого ощущения равен 130 дБ.

Высота звука Определяется частотой звука. Частота колебаний мужского голоса лежит в интервале 100–7000 Гц, а женского голоса 200–9000 Гц.

Тембр звука Величина, определяемая числом и силой обертонов в звуке, а так-же высотой звука. Наименьшая частота ν0 сложного звука называ-ется основным тоном. Колебания с частотами 2ν0, 3ν0 и т.д. назы-ваются обертонами.

Эхо Возвращение звука вследствие отражения от препятствия. В зависимо-сти от количества препятствий, эхо может повторятся многократно.

Эхолот Прибор, измеряющий глубину морей и океанов и использующий эхо.Коэффициент поглощения

звука

Отношение поглощенной материалом энергии звука к падающей энергии звука.

Архитектур-ная акустика

Область науки, занимающаяся измерением акустических величин зданий, изучающая условия распространения в них звука и выра-батывающая соответствующие рекомендации.

173

СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1. Введение. Что изучает физика? Физические явления .............................................................3Тема 2. Сведения из истории развития физики. ....................................................................................6Тема 3. Значение физики в развитии общества. Развитие физики в Узбекистане ...........................8Тема 4. Физические величины и их измерение ....................................................................................10

Глава I. ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВАВводная беседа ..........................................................................................................................................14Тема 5. Учение Демокрита, Рази, Беруни и Авиценны о строении вещества .................................14Тема 6. Молекулы и их размеры .............................................................................................................16Тема 7. Движение и взаимодействие молекул. Броуновское движение............................................18Тема 8. Диффузия в различных средах .................................................................................................21Тема 9. Молекулярное строение твердых тел, газов и жидкостей....................................................23Тема 10. Изучение явления диффузии в жидкостях ..........................................................................25Контрольные вопросы к главе I ..............................................................................................................26Заключительная беседа ............................................................................................................................28

Глава II. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯВводная беседа ..........................................................................................................................................30Тема 11. Механическое движение тел. Траектория .............................................................................31Тема 12. Путь, пройденный телом, и время, затраченное на это.

Единицы пройденного пути и времени .........................................................................................33Тема 13. Понятие о равномерном и неравномерном движении. Скорость

и единица ее измерения ...................................................................................................................35Тема 14. Масса тела. Единицы массы ....................................................................................................39Тема 15. Лабораторная работа. Измерение массы тела на рычажных весах ...................................41Тема 16. Плотность и единицы плотности. Методы определения плотности по Беруни и Хазини ...... 44Тема 17. Лабораторная работа. Определение плотности твердого тела ...........................................47Тема 18. Сведения о взаимодействии тел. Сила ...................................................................................49Тема 19. Лабораторная работа. Измерение силы при помощи динамометра ..................................53Тема 20. Давление. Единицы давления .................................................................................................55Тема 21. Закон Паскаля и его применение ............................................................................................58Тема 22. Давление в жидкости и газе в состоянии покоя ..................................................................60Тема 23. Атмосферное давление. Опыт Торричелли ...........................................................................62Тема 24. Закон Архимеда и его использование ....................................................................................65Тема 25. Силы, действующие на тело, движущееся в жидкости и газе ...........................................69Тема 26. Представление о работе и энергии .........................................................................................71Тема 27. Виды энергии. Мощность ........................................................................................................74Контрольные вопросы к главе II ............................................................................................................77Заключительная беседа ............................................................................................................................80

Глава III. РАВНОВЕСИЕ ТЕЛ. ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫВводная беседа ..........................................................................................................................................84Тема 28. Центр тяжести тела и его определение. Виды равновесия.................................................84Тема 29. Момент силы. Рычаг, равновесие сил на рычаге ..................................................................87

174174

Тема 30. Простые механизмы: применение блока, наклонной плоскости,винта, клина и ворота ......................................................................................................................89

Тема 31. Равенство работы при использовании механизмов ..............................................................92Тема 32. Золотое правило механики. Коэффициент полезного действия механизмов ..................95Контрольные вопросы к главе III ...........................................................................................................97Заключительная беседа ............................................................................................................................99

Глава IV. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯВводная беседа ........................................................................................................................................102Тема 33. Источники тепла. Приемники тепла ....................................................................................102Тема 34. Расширение тел при нагревании ..........................................................................................104Тема 35. Передача теплоты в твердых телах и жидкостях. Теплопроводность. Конвекция .............. 106Тема 36. Излучение. Использование теплопередачи в быту и технике .........................................109Тема 37. Взгляды Фараби, Беруни и Авиценны на тепловые процессы ........................................ 111Тема 38. Температура. Термометры. Измерение температуры тела ............................................... 113Тема 39. Лабораторная работа. Измерение температуры воздуха и жидкости

при помощи термометра ............................................................................................................116Тема 40. Внутренняя энергия и методы ее измерения ..................................................................... 117Тема 41. Двигатели внутреннего сгорания. Паровая турбина ......................................................... 119Тема 42. Реактивный двигатель. Тепловые машины и охрана окружающей среды .....................122Контрольные вопросы к главе IV .........................................................................................................125Заключительная беседа ..........................................................................................................................127

Глава V. СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯВводная беседа ........................................................................................................................................130Тема 43. Естественные и искусственные источники света ..............................................................130Тема 44. Прямолинейное распространение света. Тень и полутень ...............................................132Тема 45. Солнечные и лунные затмения .............................................................................................134Тема 46. Скорость света. Отражение и преломление света .............................................................136Тема 47. Взгляды Беруни и Авиценны на световые явления ...........................................................138Тема 48. Плоское зеркало ...................................................................................................................... 141Тема 49. Сведения о линзах ...................................................................................................................144Тема 50. Разложение света на составляющие при помощи стеклянной призмы. Радуга ................... 147Тема 51. Лабораторная работа. Изучение отражения света с помощью плоского зеркала ................ 150Тема 52. Изучение разложения света на спектры при помощи стеклянной призмы ...................152Контрольные вопросы к главе V ..........................................................................................................153Заключительная беседа ..........................................................................................................................155

Глава VI. ЗВУКОВЫЕ ЯВЛЕНИЯВводная беседа ........................................................................................................................................158Тема 53. Источники и приемники звука ..............................................................................................158Тема 54. Распространение звука в различных средах ....................................................................... 161Тема 55. Звуковые величины .................................................................................................................163Тема 56. Отражение звука. Эхо.............................................................................................................166Тема 57. Музыкальные звуки и шумы. Звук и здоровье. Архитектурная акустика .....................168Контрольные вопросы к главе VI .........................................................................................................170Заключительная беседа ..........................................................................................................................172

Narziqul Sheronovich TURDIYEV

F I Z I K A

Umumta’lim maktablarining 6-sinfi uchun darslik

(Rus tilida)

2-переработанное издание

«NISO POLIGRAF»Издательско-полиграфический творческий дом имени Чулпана

Ташкент – 2013

Переводчик Б. КурбановРедактор И. Богодарова

Художественный редактор Ж. ГуроваТехнический редактор Д. Салихова

Компьютерная верстка Б. Бабаходжаева

Номер лицензии AI №211. 26.03.2012. Подписано в печать 10 майя 2013 года. Формат 70×901/16.Гарнитура «Times New Roman» Кегль 12,5. Офсетная печать. Условных печатных листов 11,0.Учетно-издательских листов 12,76. Договор №_____. Тираж ____ экз. Заказ № _____.

Оригинал-макет был изготовлен Издательством «NISO-POLIGRAF».Номер лицензии AI №211. 26.03.2012. 100182, Ташкент, Х. Байкары, 51.

Издательско-полиграфический творческий дом имени Чулпана Агентства по печати и информацииРеспублики Узбекистан. 100129, г. Ташкент, ул. Навои, 30.

Отпечатано в типографии издательско-полиграфического творческого дома им. Г. Гуляма Агентствапо печати и информации Республики Узбекистан. 100129, г. Ташкент, ул. Навои, 30.

Турдиев, Нарзикул ШероновичT-86 Физика: Учебник для учащихся 6-х классов средней школы.

2-пере работанное издание. / Н.Ш. Турдиев. – Т.: «Niso Poligraf», ИПТД имени Чулпана, 2013. – 176 с.

ISBN 978-9943-4046-9-4УДК: 372.853-161.1(075)ББК 22.3я72

Сведения о состоянии учебника, выданного напрокат

№ Имя, фамилияучащегося

Учебный год

Состояние учебника

при получении

Подпись классного руководи-

теля

Состояние учебника при сдаче

Подпись классного руководи-

теля

1

2

3

4

5

6

Таблица заполняется классным руководителем при передаче учеб-ника в пользование и возвращении назад в конце учебного года. При заполнении таблицы используются следующие оценочные критерии:

Новый Состояние учебника при первой выдаче

ХорошоОбложка целая, не оторвана от основной части книги. Все стра-ницы в наличии, не порваны, на страницах нет записей и пома-рок.

Удовлетвори-тельно

Обложка не смята, слегка испачкана, края стерты. Восстанов-лен пользователем. Вырванные страницы восстановлены, но не-которые страницы испорчены.

Неудовлетво-рительно

Обложка испачкана, порвана, корешок оторван от основной части книги или совсем отсутствует. Страницы порваны, некоторых вообще не хватает, имеющиеся исчерчены, испачканы. Учебник к дальнейшему использованию не пригоден, восстановить нельзя.

Documents

1 176 2013 - · PDF fileшой вклад в развитие физики и ... были сделаны великие открытия. ... величины и их